Цифроаналоговый преобразователь

 

Изобретение относится к электроизмерительной технике. Целью изобретения является повышение точности преобразования. Поставленная цель достигается тем, что в преобразователе токи старших разрядов формируются путем циклического переключения тока опорного источника с помощью токовых импульсных ключей и фильтрации образующихся при этом последовательностей импульсов тока. Цифроаналоговый преобразователь содержит импульсные токовые ключи, фильтры нижних частот, токовые ключи старших разрядов, кодоуправляемый резистивный делитель тока, источник опорного тока, преобразователь постоянного тока в переменный (пульсирующий), состоящий из повторителя тока, разделительного конденсатора, двух источников тока, один из которых постоянно подключен к обкладке разделительного конденсатора, а второй подключается периодически через переключатель тока, управляемый формирователем импульсов, синхронизированным с генератором ортогональных сигналов, другая обкладка разделительного конденсатора подключена вместе с выходом источника опорного тока ко входу повторителя, выход которого, являющийся также выходом преобразователя постоянного тока в переменный, подключен к входам импульсных токовых ключей. 3 ил.

Изобретение относится к электроизмерительной технике и может быть использовано для создания точных и высоколинейных цифроаналоговых и аналого-цифровых преобразователей, быстродействующих калибраторов и цифровых вольтметров.

Известен цифроаналоговой преобразователь, содержащий источник опорного тока, генератор ортогональных сигналов, (m+1) импульсных токовых ключей, где m число старших разрядов преобразуемого кода, (m+1) фильтров нижних частот, m токовых ключей старших разрядов, кодоуправляемый резистивный делитель тока, выполненный (n-m) разрядным, где n число разрядов преобразуемого кода, и выходную шину.

В известном устройстве несоответствие реальных моментов переключения тока I₀ источника опорного тока заданным (идеальным), обусловленное неизбежным разбросом характеристик элементов генератора ортогональных сигналов и импульсных ключей, является одним из основных факторов, ограничивающих возможности повышения точности цифроаналогового преобразователя.

Отличие реального момента переключения от заданного на величину t приводит к погрешности формирования разрядных токов старших разрядов равной где T период повторения ортогональных сигналов; I₀ величина опорного тока.

Увеличение периода T для снижения погрешности I возможно только до определенных пределов, поскольку при этом требуется снижение граничной частоты токовых фильтров и, как следствие, увеличение емкостей используемых в них конденсаторов, что, в свою очередь, приводит к увеличению погрешностей из-за утечек и возрастания влияния фликкершумов операционных усилителей фильтров.

Целью изобретения является повышение точности цифроаналогового преобразователя при сохранении быстродействия. Снижение погрешности I при прочих равных условиях достигается введением преобразователя постоянного тока в переменный, который включается между источником опорного тока и входами импульсных токовых ключей. Преобразование постоянного опорного тока I₀ в переменный (пульсирующий) ток со средним значением, равным I₀, позволяет при синхронизации работы преобразователя и генератора ортогональных сигналов существенно снизить влияние разброса t моментов переключения токовых ключей на погрешность I формирования разрядных токов старших разрядов цифроаналогового преобразователя.

На фиг. 1 приведена функциональная схема цифроаналогового преобразователя; на фиг. 2 принципиальная схема преобразователя постоянного тока в переменный; на фиг. 3 диаграммы работы преобразователя постоянного тока.

Цифроаналоговый преобразователь содержит источник 1 опорного тока, генератор 2 ортогональных сигналов, (m+1) импульсных токовых ключей 3, где m - число старших разрядов преобразуемого кода, (m+1) фильтров 4 нижних частот, m токовых ключей 5 старших разрядов, кодоуправляемый резистивный делитель 6 тока, выполненный (n-m) разрядным, где n число разрядов преобразуемого кода, выходную шину 7 и преобразователь 8 постоянного тока в переменный, содержащий повторитель тока 9, разделительный конденсатор 10, вспомогательные источники 11 и 12 постоянного тока, токовый переключатель 13, формирователь 14 импульсов управления переключателем, ограничительные диоды 15, 16 и источник напряжения 17, задающий уровни ограничения для напряжения в узле 18.

Цифроаналоговый преобразователь работает следующим образом.

Преобразователь 8 преобразует постоянный ток источника 1 опорного тока в переменный (пульсирующий) ток, который с выхода преобразователя 8 поступает на общую шину, соединяющую информационные входы импульсных токовых ключей 3, причем работа преобразователя 8 синхронизована с генератором 2 ортогональных сигналов. Выходные импульсы генератора 2 ортогональных сигналов, поступая последовательно во времени на управляющие входы импульсных токовых ключей 3, приводят к тому, что на входах фильтров 4 нижних частот периодически появляются последовательности (пачки) импульсов тока, имеющие различную скважность и, соответственно, различные значения I_i постоянной составляющей входного тока каждого фильтра 4: I_i= Q^-_i¹I_o, (2) где I₀ ток источника опорного тока; Q_i скважность выходных импульсов генератора 2 ортогональных сигналов.

На выходах m фильтров 4 нижних частот формируются m весовых токов старших разрядов I₁, I₂, I_m, взвешенных, например, по двоичному закону, а на выходе (m+1)-го фильтра 4 нижних частот формируется ток, равный по величине току I_m.

С выхода (m+1)-го фильтра 4 нижних частот ток поступает на вход кодоуправляемого делителя 6 тока. Использование выходного тока (m+1)-го фильтра нижних частот в качестве опорного тока для цифроаналогового преобразователя младших разрядов кода позволяет избавиться от проблем согласования характеристики преобразования старших и младших разрядов, обычно возникающей при комбинированном построении многоразрядных цифроаналоговых преобразователей.

Выходной сигнал, пропорциональный входному коду, формируется путем сложения на суммирующей шине 7 весовых токов I₁, I₂, I_m старших разрядов и выходного тока кодоуправляемого резистивного делителя 6 тока в комбинации, определяемой входным кодом N_вх. Число старших разрядов определяется требуемой погрешностью цифроаналогового преобразователя.

Принцип действия преобразователя 8 постоянного тока в переменный заключается в линейном суммировании опорного тока I₀ с импульсным двухполярным током, формируемым с помощью источников постоянного тока 11 и 12, причем величина тока I₁ источника 11 примерно вдвое превышает величину тока I₂ источника 12 (I₁2I₂).

Преобразователь 8 работает следующим образом. На узел входа повторителя тока 9 поступает опорный ток I₀. На этот же узел, как шину суммирования токов, поступает также ток перезаряда конденсатора 10. Направление тока перезаряда определяется положением переключателя 13. Если переключатель 13 замыкает ток I₁ источника тока 11 на узел 18, то конденсатор перезаряжается током I₁-I₂, если ток I₁ замыкается на шину "земля", то конденсатор 10 перезаряжается током -I₂. В результате суммирования токов на входе повторителя тока 9, его выходной ток либо возрастает до значения I₀+(I₁-I₂), либо уменьшается до значения I₀-I₂. Ограничительные диоды обеспечивают нормальный режим работы практических источников тока: при нарастании напряжения узла 18 до предельно допустимого уровня открывается диод 15, при понижении напряжения диод 16. В результате на общую шину, соединяющую информационные входы ключей 3, поступает пульсирующий ток. Форма тока на выходе повторителя тока 9, изменения напряжения узла 18 и сигнал управления переключателем 13 показаны на фиг. 3. Минимальное мгновенное значение I₀-I₂ выходного тока повторителя тока 9 может быть выбрано достаточно малым путем регулировки тока I₂.

Формирователь 14 импульсов управления переключателем 13 должен быть сихронизирован с генератором 2 ортогональных сигналов таким образом, чтобы момент открывания одного импульсного ключа 3 и закрывания другого импульсного ключа 3 находился в интервале времени, когда ток на выходе преобразователя 8 минимален и равен I₀-I₂. В этом случае погрешность формирования разрядных токов I_i от разброса t реальных моментов открывания и закрывания ключей составит то есть по сравнению с первоначальным значением (1) снизится в
раз.

Формула изобретения

Цифроаналоговый преобразователь, содержащий импульсные токовые ключи, фильтры нижних частот, токовые ключи старших разрядов, кодоуправляемый резистивный делитель тока, источник опорного тока и генератор ортогональных сигналов, группа выходов которого соединена с управляющими входами импульсных токовых ключей, выходы которых соединены с входами фильтров нижних частот, выход одного из фильтров нижних частот соединен с информационным входом кодоуправляемого резистивного делителя тока, выходы других фильтров нижних частот подключены к информационным входам соответствующих токовых ключей старших разрядов, управляющие входы которых и управляющие входы кодоуправляемого резистивного делителя тока являются соответствующими входами преобразователя, выходом которого является объединенный выход токовых ключей старших разрядов и кодоуправляемого резистивного делителя тока, отличающийся тем, что в него введен преобразователь постоянного тока в переменный, содержащий разделительный конденсатор, два ограничительных диода, формирователь импульсов, два источника тока, источник напряжения, переключатель и повторитель тока, вход которого соединен с выходом источника опорного тока, соединенным с первой обкладкой разделительного конденсатора, вторая обкладка которого через первый источник тока подключена к шине нулевого потенциала и непосредственно соединена с размыкающим контактом переключателя и с первыми выводами встречно включенных ограничительных диодов, вторые выводы которых соединены с выводами источника напряжения, один из которых подключен к шине нулевого потенциала, соединенной с замыкающим контактом переключателя и через второй источник тока с подвижным контактом переключателя, соединенным с выходом формирователя импульсов, вход которого подключен к дополнительному выходу генератора ортогональных сигналов, выход повторителя тока соединен с информационными входами импульсных токовых ключей.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3