Цифро-аналоговий перетворювач проф. кондратова в.т. та його варіанти

Реферат: Цифро-аналоговий перетворювач проф. Кондратова В.Т. належить до обчислювальної та вимірювальної техніки, зокрема до цифро-аналогових перетворювачів паралельної чи послідовної дії. Перетворювач включає базовий цифро-аналоговий перетворювач паралельної чи послідовної дії, від відомих відрізняється тим, що додатково введені сигнальний процесор, клавіатура, джерело опорної напруги (міра), аналоговий суматор і автоматичний перемикач, вихід якого є виходом цифро-аналогового перетворювача. Запропонований цифро-аналоговий перетворювач забезпечує природне автоматичне виключення систематичних похибок, а при багатократних перетвореннях і статистичній обробці проміжних результатів за апріорі визначеними рівняннями числових значень зменшує й випадкову складову похибки. UA 103086 C2 (12) UA 103086 C2 UA 103086 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Винахід належить до області обчислювальної та вимірювальної техніки, зокрема до способів паралельного чи послідовного перетворення цифрових кодів чисел у аналоговий сигнал (напругу, струм, потік, силу, тиск тощо) і може бути використаний при створенні високоточних цифро-аналогових перетворювачів чи модернізації існуючих. Відомий цифро-аналоговий перетворювач (див., наприклад, Цифро-аналоговый преобразователь http://www.trident.com.ua/search/?cx=partner-pub-41902223 085 695 87 %3 A173aiqrdai9&coMORID%3 A10&ie=UTF8&q=%D1 %86 %D0 %B8 %D1 %84 %Dl%80 %D0 %BE%D0 %B0 %D0 %BD%D0 %B 0 %D0 %BB%D0 %BE%D0 %B3 %D0 %BE%D0 %B2 %D0 %BE%D0 %B5+%D0 %BF%Dl%80 %D0 %B5 %D0 %BE%D0 %B1 %D1 %80 %D0 %B0 %D0 %B7 %D0 %BE%D0 %B2 %D0 %B0 %D0 %B D%D0 %B8 %D0 %B5++%D0 %BF%D0 %B0 %D1 %82 %D0 %B5 %D0 %BD%D1 %82 %D1 %8B& sa=%D0 %9F%D0 %BE%D0 %B8 %D1 %81 %D0 %BА), оснований на паралельному чи послідовному перетворенні цифрового (частіше двійкового) коду числа NХ у дійсне значення вихідної (шуканої) напруги (струму чи заряду). Відомому цифро-аналоговому перетворювачу притаманні недостатня точність перетворення, яка обумовлена алгоритмом цифро-аналогового перетворення, що використовується. Цей алгоритм не забезпечує природне автоматичне виключення систематичних похибок перетворення, які обумовлені зміною параметрів процесу цифроаналогового перетворення під дією зовнішніх дестабілізуючих факторів на функціональні елементи, процесів старіння і деградації матеріалів елементів та блоків цифро-аналогового перетворювача тощо. Відомий цифро-аналоговий перетворювач (див., наприклад, Патент РФ № 2156029, МПК Н03М1/06 от 10.09.2000. Спосіб цифро-аналогового перетворення та пристрій для його здійснення, що містить вихід, який забезпечує широтно-імпульсно-модульований сигнал з заданим коефіцієнтом заповнення, який можна використовувати як опорний сигнал (V/2) для компенсації змін в роботі іншої частини цифро-аналогової схеми. Цифро-аналоговий перетворювач має декілька вихідних каскадів (46). Кожний вихідний каскад (46) включає в себе буфер трьох станів (54), який видає сигнал включення, сигнал виключення або широтноімпульсно-модульований сигнал ШІМ, причому вибір сигналів здійснюється мультиплексором (52), який працює під управлінням декодера хорди (50), що реагує на розряди експоненти в межах значення вхідного цифрового сигналу. Якщо вибрано широтно-імпульсно-модульований сигнал, його коефіцієнт заповнення регулюють широтно-імпульсно-модульованим декодером (48), який реагує на розряди мантиси в межах значення вхідного цифрового сигналу. Відомому цифро-аналоговому перетворювачу притаманні недостатня точність перетворення. Алгоритм аналого-цифрового перетворення, що використовується, не забезпечує природне автоматичне виключення систематичних похибок перетворення, які обумовлені зміною параметрів процесу цифро-аналогового перетворення під дією зовнішніх дестабілізуючих факторів на функціональні елементи, процесів старіння і деградації матеріалів елементів та блоків цифро-аналогового перетворювача тощо. Відомий цифро-аналоговий перетворювач (див., наприклад, Глава 4. Цифро-аналоговые преобразователи (ЦАП) для задач цифровой обработки сигналов. http://go.mail.ru/search?mailm=l&rch=e&mg=l&q=%D0 %93 %D0 %9B%D0 %90 %D0 %92 %D0 %9 0+4++++++%D0 %A6 %D0 %98 %D0 %A4 %D0 %A0 %D0 %9E%D0 %9Q%D0 %9D%D0 %90 %D0 %9B%D0 %9E%D0 %93 %D0 %9E%DQ%92 %D0 %AB%D0 % 95+%D0 %9F%D0 %A0 %D0 %95 %D0 %9E%D0 %91 %D0 %A0 %D0 %90 %D0 %97 %D0 %9E% D0 %92 %D0 %90 %D0 %A2 %D0 %95 %D0 %9B%D0 %98+%28 %D0 %A6 %D0 %90 %D0 %9F% 29+++%D0 %94 %D0 %9B%D0 %AF+%D0 %97 %D0 %90 %D0 %94 %D0 %90 %D0 %A7+%D0 % A6 %D0 %98 %D0 %A4 %D0 %A0 %D0 %9E%D0 %92 %D0 %9E%D0 %99+%D0 %9E%D0 %91 % D0 %A0 %D0 %90 %D0 %91 %D0 %9E%D0 %A2 %D0 %9A%D0 %98+%D0 %Al%D0 %98 %D0 % 93 %D0 %9D%D0 %90 %D0 %9B%D0 %9E%D0 %92), оснований на паралельному чи послідовному перетворенні цифрового (частіше двійкового) коду числа Nx у дійсне значення вихідної (шуканої) напруги (струму чи заряду). Відомому цифро-аналоговому перетворювачу притаманні недостатня точність перетворення. Вона обумовлена тим алгоритмом цифро-аналогового перетворення, що використовується. Цей алгоритм не забезпечує природне автоматичне виключення систематичних похибок перетворення, які обумовлені зміною параметрів процесу цифроаналогового перетворення під дією зовнішніх дестабілізуючих факторів на функціональні елементи, процесів старіння і деградації матеріалів елементів та блоків цифро-аналогового перетворювача тощо. 1 UA 103086 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Відомий цифро-аналоговий перетворювач (див., наприклад, Смолов В.Б. Микроэлектронные цифро-аналоговые и аналого-цифоровые преобразователи информации. Энергия, Л-д, 1976. с. 127.), оснований на паралельному чи послідовному перетворенні цифрового (частіше двійкового) коду числа NХ у дійсне значення вихідної (шуканої) напруги (струму чи заряду). Відомим цифро-аналоговим перетворювачам притаманні недостатня точність перетворення, яка обумовлена використовуваним алгоритмом цифро-аналогового перетворення. Вони не забезпечують природне автоматичне виключення систематичних похибок перетворення, які обумовлені зміною параметрів процесу цифро-аналогового перетворення під дією зовнішніх дестабілізуючих факторів на функціональні елементи, процесів старіння і деградації матеріалів елементів та блоків цифро-аналогового перетворювача тощо. Відомий цифро-аналоговий перетворювач (див., наприклад, Вопросы построения высокоточных и быстродействующих цифро-аналоговых преобразователей и компараторов. Обзор Галимовой Р.Г. Зарубежная электроника. -№5, 1976), оснований на паралельному чи послідовному перетворенні цифрового (частіше двійкового) коду числа NХ у дійсне значення вихідної (шуканої) напруги (струму чи заряду). Відомому цифро-аналоговому перетворювачу притаманні недостатня точність перетворення, яка обумовлена алгоритмом цифро-аналогового перетворення, що використовується. Цей алгоритм не забезпечуює природне автоматичне виключення систематичних похибок перетворення, які обумовлені зміною параметрів процесу цифроаналогового перетворення під дією зовнішніх дестабілізуючих факторів на функціональні елементи, процесів старіння і деградації матеріалів елементів та блоків цифро-аналогового перетворювача тощо. Поставлена технічна задача створення такого цифро-аналогового перетворювача та його варіантів, які б забезпечували природне виключення систематичних похибок перетворення цифрових кодів у аналогову величину (напругу, струм, заряд тощо) та, при необхідності, зменшення випадкових похибок перетворення, що обумовлені дією зовнішніх дестабілізуючих факторів на процес цифро-аналогового перетворення шляхом багатократних перетворювань кодів чисел та напруг. Поставлена технічна задача вирішується тим, що цифро-аналоговий перетворювач, що включає базовий цифро-аналоговий перетворювач паралельної чи послідовної дії, від відомих відрізняється тим, що додатково введені сигнальний процесор, клавіатура, джерело опорної напруги (міра), аналоговий суматор і автоматичний перемикач, вихід якого є виходом цифроаналогового перетворювача, перший вхід підключений до земляної шини, вхід управління з'єднаний з виходом одного з розрядів цифрового порту Ε сигнального процесора, другий вхід автоматичного перемикача підключений до об'єднаних між собою виходу базового цифроаналогового перетворювача, третього входу (автоматичного перемикача, вбудованого разом з аналого-цифровим перетворювачем) аналогового порту сигнального процесора і першого входу аналогового суматора, вихід якого з'єднаний з другим входом (автоматичного перемикача, вбудованого разом з аналого-цифровим перетворювачем) аналогового порту сигнального процесора, другий вхід аналогового суматора підключений до виходу джерела опорної напруги (міри) і до першого входу (автоматичного перемикача, вбудованого разом з аналого-цифровим перетворювачем) аналогового порту сигнального процесора, цифрові входи-виходи порту В якого є цифровими входами цифро-аналогового перетворювача, тобто цифровими входами коду числа ΝХ, що перетворюється у напругу, цифрові входи-виходи порту С сигнального процесора з'єднані з цифровими входами-виходами клавіатури, а цифрові входи-виходи порту D сигнального процесора підключені до цифрових входів-виходів базового цифро-аналогового перетворювача. Цифро-аналоговий перетворювач від відомих відрізняється тим, що при наявності тільки чотирьох вільних цифрових портів сигнального процесора, додатково введена загальна шина, через яку цифрові входи-виходи базового цифро-аналогового перетворювача і клавіатури підключені до цифрових входів-виходів порту D сигнального процесора. Цифро-аналоговий перетворювач від відомих відрізняється тим, що, при наявності тільки трьох вільних цифрових портів сигнального процесора, додатково введена загальна шина та регістр коду числа Νχ, що перетворюється у напругу, цифрові входи якого є входами цифроаналогового перетворювача, цифрові виходи-входи регістра коду числа NХ через загальну шину підключені, як й цифрові входи-виходи базового цифро-аналогового перетворювача, до цифрових входів-виходів порту D сигнального процесора. Цифро-аналоговий перетворювач від відомих відрізняється тим, що, при наявності трьох вільних цифрових портів сигнального процесора, додатково введена загальна шина та рідинно 2 UA 103086 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 кристалічний індикатор (візуалізатор), цифрові входи-виходи якого підключені до цифрових входів-виходів порту D сигнального процесора через загальну шину. Цифро-аналоговий перетворювач, що включає базовий цифро-аналоговий перетворювач паралельної чи послідовної дії, від відомих відрізняється тим, що додатково введені багаторозрядний аналого-цифровий перетворювач, мікроконтролер з цифровими портами підвищеної розрядності входів-виходів, тривходовий автоматичний перемикач, клавіатура, джерело опорної напруги (міра), аналоговий суматор і двовходовий автоматичний перемикач, вихід якого є виходом цифро-аналогового перетворювача, перший вхід підключений до земляної шини, вхід управляння з'єднаний з цифровим виходом молодшого розряду порту Ε мікроконтролера, другий вхід двовходового автоматичного перемикача підключений до об'єднаних між собою виходу базового цифро-аналогового перетворювача, третього входу тривходового автоматичного перемикача і першого входу аналогового суматора, вихід якого з'єднаний з другим входом тривходового автоматичного перемикача, другий вхід аналогового суматора підключений до виходу джерела опорної напруги (міри) і до першого входу тривходового автоматичного перемикача, вихід якого з'єднаний зі входом багаторозрядного аналого-цифрового перетворювача, чий цифровий вхід-вихід підключений до цифрового входувиходу порту А мікроконтролера, цифрові входи-виходи порту В якого є входом коду числа ΝХ, що перетворюється у напругу, цифрові входи-виходи порту С з'єднаний з цифровими входамивиходами клавіатури, цифрові входи-виходи порту D мікроконтролера підключені до цифрових входів-виходів базового цифро-аналогового перетворювача, а з виходом старших розрядів порту Ε мікроконтролера з'єднані входи управління тривходового автоматичного перемикача. Цифро-аналоговий перетворювач від відомих відрізняється тим, що, при наявності тільки чотирьох вільних цифрових портів мікроконтролера, додатково введена загальна шина, через яку цифрові входи-виходи багаторозрядного аналого-цифрового перетворювача і клавіатури підключені до цифрових входів-виходів порту А мікроконтролера. Цифро-аналоговий перетворювач від відомих відрізняється тим, що, при наявності тільки трьох вільних цифрових портів мікроконтролера, додатково введена загальна шина і регістр коду числа ΝХ, що перетворюється у напругу, цифрові входи якого є входами цифроаналогового перетворювача, цифрові виходи регістра коду числа NХ підключені до цифрових входів-виходів порту А мікроконтролера через загальну шину, як й цифрові входи-виходи аналого-цифрового перетворювача і клавіатури. Цифро-аналоговий перетворювач від відомих відрізняється тим, що, при наявності тільки двох вільних цифрових портів мікроконтролера, додатково введена загальна шина, яка підключена до входів-виходів порту А мікроконтролера, і регістр коду числа ΝХ, що перетворюється у напругу, цифрові входи якого є входами цифро-аналогового перетворювача, цифрові виходи регістру числа NХ та цифрові входи-виходи базового цифро-аналогового перетворювача, підключені до цифрових входів-виходів порту А мікроконтролера через загальну шину, як й цифрові входи-виходи аналого-цифрового перетворювача і клавіатури. На кресленні наведені функціональні схеми цифро-аналогового перетворювача та його варіантів, де 1 - базовий цифро-аналоговий перетворювач, точність якого потребує підвищення, 2 - аналого-цифровий перетворювач, 3 - двовходовий автоматичний перемикач, 4 тривходовий автоматичний перемикач, 5 - аналоговий суматор, 6 - джерело опорної наруги (міра), 7 - сигнальний процесор (у п. 2 - мікроконтролер), 8 - клавіатура (набірне поле), 9 регістр коду числа ΝХ, 10 - загальна шина, 11 - рідинно-кристалічний індикатор (візуалізатор). При цьому цифро-аналоговий перетворювач, що включає базовий цифро-аналоговий перетворювач 1 паралельної чи послідовної дії, від відомих відрізняється тим, що додатково введені сигнальний процесор 7, клавіатура 8, джерело опорної напруги (міра) 6, аналоговий суматор 5 і двох входовий автоматичний перемикач 3. Вихід двовходового автоматичного перемикача 3 є виходом цифро-аналогового перетворювача. Перший вхід двовходового автоматичного перемикача 3 підключений до земляної шини 10, вхід управління з'єднаний з виходом одного з розрядів порту Ε сигнального процесора 7. Другий вхід двовходового автоматичного перемикача 3 підключений до об'єднаних між собою виходу базового цифро-аналогового перетворювача 1, третього входу (автоматичного перемикача, вбудованого разом з аналого-цифровим перетворювачем) аналогового порту А сигнального процесора 7 і першого входу аналогового суматора 5. Вихід аналогового суматора 5 з'єднаний з другим входом (автоматичного перемикача, вбудованого разом з аналого-цифровим перетворювачем) аналогового порту А сигнального процесора 7. Другий вхід аналогового суматора 5 підключений до виходу джерела опорної напруги (міри) 6 і до першого входу (автоматичного перемикача, вбудованого разом з аналогоцифровим перетворювачем) аналогового порту А сигнального процесора 7, порт В якого є 3 UA 103086 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 входом цифро-аналогового перетворювача, тобто входом коду числа ΝХ, що перетворюється у напругу. Порт С сигнального процесора 7 з'єднаний з цифровими входами-виходами клавіатури 8, а цифрові входи-виходи порту D сигнального процесора 7 підключені до цифрових входів-виходів базового цифро-аналогового перетворювача. 2. Цифро-аналоговий перетворювач за п. 1, від відомих відрізняється тим, що, при наявності тільки чотирьох вільних цифрових портів сигнального процесора 7, додатково введена загальна шина 10, через яку цифрові входи-виходи базового цифро-аналогового перетворювача 1 і клавіатури 8 підключені до цифрових входів-виходів порту D сигнального процесора 7. 3. Цифро-аналоговий перетворювач за п. 1, від відомих відрізняється тим, що, при наявності тільки трьох вільних цифрових портів сигнального процесора 7, додатково введена загальна шина 10 та регістр 9 коду числа ΝХ, що перетворюється у напругу. Цифрові входи регістра 9 коду числа NХ є входами цифро-аналогового перетворювача. Цифрові виходи-входи регістра 9 коду числа NХ через загальну шину 10 підключені, як й цифрові входи-виходи базового цифроаналогового перетворювача, до цифрових входів-виходів порту D сигнального процесора 7. 4. Цифро-аналоговий перетворювач за п. 1, від відомих відрізняється тим, що, при наявності трьох вільних цифрових портів сигнального процесора 7, додатково введена загальна шина 10 та рідинно-кристалічний індикатор (візуалізатор) 11, цифрові входи-виходи якого підключені до цифрових входів-виходів порту D сигнального процесора 7 через загальну шину 10. 5. Цифро-аналоговий перетворювач, що включає базовий цифро-аналоговий перетворювач паралельної чи послідовної дії, від відомих відрізняється тим, що додатково введені багаторозрядний аналого-цифровий перетворювач 2, мікроконтролер 7 з цифровими портами підвищеної розрядності входів-виходів, тривходовий автоматичний перемикач 4, клавіатура 8, джерело опорної напруги (міра) 6, аналоговий суматор 5 і двовходовий автоматичний перемикач 3. Вихід двовходового автоматичного перемикача 3 є виходом цифро-аналогового перетворювача, перший вхід підключений до земляної шини, вхід управління з'єднаний з цифровим виходом молодшого розряду порту Ε мікроконтролера 7. Другий вхід двовходового автоматичного перемикача 3 підключений до об'єднаних між собою виходу базового цифроаналогового перетворювача 1, третього входу тривходового автоматичного перемикача 4 і першого входу аналогового суматора 5. Вихід аналогового суматора 5 з'єднаний з другим входом тривходового автоматичного перемикача 4. Другий вхід аналогового суматора 5 підключений до виходу джерела опорної напруги (міри) 6 і до першого входу тривходового автоматичного перемикача 4. Вихід тривходового автоматичного перемикача 4 з'єднаний зі входом багаторозрядного аналогоцифрового перетворювача 2, чий цифровий вхід-вихід підключений до цифрового входу-виходу порту А мікроконтролера 7. Цифрові входи-виходи порту В мікроконтролера 7 є входом коду числа ΝХ, що перетворюється у напругу. Цифрові входи-виходи порту С мікроконтролера 7 з'єднані з цифровими входами-виходами клавіатури 8. Цифрові входи-виходи порту D мікроконтролера 7 підключені до цифрових входів-виходів базового цифро-аналогового перетворювача, а з виходом старших розрядів порту Ε мікроконтролера 7 з'єднані входи управління тривходового автоматичного перемикача 4. Цифро-аналоговий перетворювач від відомих відрізняється тим, що, при наявності тільки чотирьох вільних цифрових портів мікроконтролера 7, додатково введена загальна шина 10, через яку цифрові входи-виходи багаторозрядного аналого-цифрового перетворювача 4 і клавіатури 8 підключені до цифрових входів-виходів порту А мікроконтролера 7. Цифро-аналоговий перетворювач від відомих відрізняється тим, що, при наявності тільки трьох вільних цифрових портів мікроконтролера 7, додатково введена загальна шина 10 і регістр 9 коду числа ΝХ, що перетворюється у напругу. Цифрові входи регістра 9 коду числа ΝХ є входами цифро-аналогового перетворювача. Цифрові виходи регістра 9 коду числа ΝХ підключені до цифрових входів-виходів порту А мікроконтролера 7 через загальну шину 10, як й цифрові входи-виходи аналого-цифрового перетворювача 2 і клавіатури 8. 8. Цифро-аналоговий перетворювач за п. 5, від відомих відрізняється тим, що, при наявності тільки двох вільних цифрових портів мікроконтролера 7, додатково введена загальна шина 10, яка підключена до входів-виходів порту А мікроконтролера 7, і регістр 9 коду числа ΝХ, що перетворюється у напругу. Цифрові входи регістра 9 коду числа ΝХ є входами цифро-аналогового перетворювача. Цифрові виходи регістра 9 числа ΝХ та цифрові входи-виходи базового цифро-аналогового 4 UA 103086 C2 5 10 перетворювача підключені до цифрових входів-виходів порту А мікроконтролера 7 через загальну шину 10, як й цифрові входи-виходи аналого-цифрового перетворювача 2 і клавіатури 8. Пояснимо роботу цифро-аналогових перетворювачів. Після включення живлення цифроаналогового перетворювача всі функціональні блоки встановлюються у початковий стан. Автоматичний перемикач 3 встановлюється в положення, що наведено на кресленні. До аналого-цифрового перетворювача, вбудованого у сигнальний процесор 7 підключається третій вхід ("3") другого вбудованого автоматичного перемикача (див. "3" на аналоговому порту сигнального процесора 7). Припустимо, що функція перетворення базового цифро-аналогового перетворювача є лінійною ' U'x  SцаNx  ца  Sца(1  ца )Nx  ца  SцNx  цм  ца  Ux  цс 15 20 , де U'x - вихідна напруга з невиключеною систематичною похибкою; S' ца- реальна крутість цифро-аналогового перетворення; Sца - номінальна за значенням крутість цифро-аналогового перетворення; ца - відносне відхилення функції перетворення від номінального значення (ца = Sцa/Sца); цм - мультиплікативна похибка перетворення (цм = UxSцa); ца- адитивна похибка цифро-аналогового перетворення, яка обумовлена дрейфом нуля, UХ - вихідна напруга без систематичної похибки; цс - систематична похибка перетворення, що обумовлена дією дестабілізуючих факторів. Апріорі у постійну пам'ять сигнального процесора 7 з високою точністю записується код "зразкового" числа N1=N0 в межах діапазону вхідних кодів чисел. По команді з сигнального процесора 7 цифровий код числа N1=N0 надходить на цифрові входи-виходи базового цифроаналогового перетворювача 1. Після перетворення, вихідна напруга ' ' U1  SцаN0  ца  Sца(1  ца ) N0  ца  SцN0  цм  ца  U0  цс 25 , (1) з виходу базового цифро-аналогового перетворювача 1 надходить на першій вхід аналогового суматора 5 і, через вхід "3" вбудованого автоматичного перемикача надходить на вхід вбудованого аналого-цифрового перетворювача. За допомогою останнього отримана напруга U’1 перетворюється у код числа: ' N1  S'ацU0  N  Sац (1   ац ) N0  N 30 35 , (2) де N - похибка аналого-цифрового перетворення. Таким чином здійснюється двократне (цифро-аналогове і аналого-цифрове) перетворення цифрового коду числа Ν1=N0 код числа N’1 (2). Отриманий код числа N’1 (2) запам'ятовується у оперативній пам'яті сигнального процесора 7. По команді з сигнального процесора 7, код числа Ν1=N0 складається (додається) з кодом вхідного числа ΝX, що надходить на цифрові входи-виходи порту "5" сигнального процесора 7 і отримують код числа N2=N0+Nx. Аналогічним чином код числа N2=N0+Nx за допомогою базового цифро-аналогового перетворювача 1 перетворюється у напругу ' U'2  SцаN2  ца  Sца(1  ца ) N2  ца  Sц (N0  Nx )  цм  ца  U2  цс 40 . (3) За командою з сигнального процесора напруга U'2 (3) з виходу базового цифро-аналогового перетворювача 1 надходить на першій вхід аналогового суматора 5 і, через третій вхід"3" вбудованого автоматичного перемикача, на вхід вбудованого аналогоцифрового перетворювача. Тобто отриману напругу U'2 перетворюють у код числа N’2 за допомогою вбудованого аналого-цифрового перетворювача. Отриманий код числа N'2  S'ац U'2  N  Sац (1   ац ) U'2  N 45 50 (4). запам'ятовується у оперативній пам'яті сигнального процесора 7. Таким чином здійснюється двократне (цифро-аналогове і аналого-цифрове) перетворення цифрового коду числа N2=N0+Nx у код числа N'2. Після цього, за командою з сигнального процесора 7 код числа Ν3 = Νx з цифрового порту "5" надходить на цифрові входи-виходи базового цифро-аналогового перетворювача 1 і перетворюється у напругу ' U'3  SцаN3  ца  Sца(1  ца ) N3  ца  SцNx  цм  ца  U3  цс 55 . (5) Отримана напруга U'3 (5) з виходу базового цифро-аналогового перетворювача 1 надходить на першій вхід аналогового суматора 5 і, через третій вхід "3" вбудованого автоматичного перемикача, надходить на вхід вбудованого аналого-цифрового перетворювача. За допомогою останнього отримана напруга U’3 (5) перетворюється у код числа 5 UA 103086 C2 N'3  S'ац U'3  N  Sац (1   ац ) U'3  N 5 . (6). Код числа N’3 (6) запам'ятовується у оперативній пам'яті сигнального процесора 7. Таким чином здійснюється двократне (цифро-аналогове і аналого-цифрове) перетворення цифрового коду числа N3=Nx у код числа Щ (5). Отриманий код числа U’3, (5) запам'ятовується у оперативній пам'яті сигнального процесора 7. За командою з сигнального процесора визначають дійсне значення результату цифроаналогового і аналого-цифрового перетворення коду числа Nx у код числа N'x за рівнянням числових значень N'x  {U0 } 10 15 20 ' N'2  N1 ' N'2  N1  {U' x } . (7) Отриманий код числа Ν'X (1) запам'ятовують. Як видно з (7), код числа Ν'X дорівнює значенню вихідній напруги U’3 (3). Після перетворення цифрового (частіше двійкового) коду числа N x у дійсне значення вихідної (шуканої) напруги U’3 (3) (струму чи заряду) методом надлишкових перетворень, за допомогою аналогового суматора 5 напруга U’3 (3), що надходить на перший вхід аналогового суматора 5, складається (додається до) з нормованою за значенням (зразковою) напругою U0, що надходить на другий вхід аналогового суматора з виходу джерела опорної напруги 6. Напруга и2, значення якої дорівнює {U2} = {U'x} + {U0}, надходить на другий вхід вбудованого другого автоматичного перемикача сигнального процесора 7. За відповідною командою напруга U2 надходить на вихід вбудованого автоматичного перемикача, вихід якого з'єднаний зі входом вбудованого аналого-цифрового перетворювача. За допомогою останнього здійснюється перетворення напруги U2 у цифровий код числа ' N'2  S'ац U2  N  Sац (1   ац ) U2  N 25 , (8) який запам'ятовується в оперативній пам'яті сигнального процесора 7. Далі, за командою з сигнального процесора 7, з виходу джерела опорної напруги 6 на вхід вбудованого аналого-цифрового перетворювача надходить, через перший вхід другого автоматичного перемикача, напруга U0. Дійсне значення зразкової напруги U0 перетворюється у цифрових код числа '' N1  S'ац U0  N  Saц (1   ац )U0  N 30 . (9) Отриманий код числа N’'1 (9) також запам'ятовується у оперативній пам'яті сигнального процесора 7. Після цього, за командою з сигнального процесора 7 результати аналогоцифрових перетворень трьох напруг обробляються за рівнянням числових значень ' N'x  N0 35 ' '' N'2  N1 ' ' N'2  N'3 . (10) Отриманий код числа Ν’’x (10) також запам'ятовується. За наступною командою з сигнального процесора 7 визначається необхідне значення вхідного цифрового коду числа Νxx за рівнянням числових значень ' Nxx  2N'x  N'x  N'x  2{U0 } 40 45 50 ' N'2  N1 N'2  N'3  N0 ' '' N'2  N1 ' N'2  N'3 (11) Отриманий цифровий код числа ΝXX запам'ятовується у оперативній пам'яті сигнального процесора 7 і подається на цифрові входи базового цифро-аналогового перетворювача 1. Одночасно перший автоматичний перемикач встановлюється у положення, протилежне показаному на кресленні. На вихід першого автоматичного перемикача надійде вихідна напруга базового цифро-аналогового перетворювача 7, яка не містить систематичної складової похибки цифро-аналогового перетворення. Автоматичне виключення систематичної (адитивної та мультиплікативної) складової похибки здійснюється за допомогою реалізації операцій віднімання (див. (11)) та ділення (див. (11)) заздалегідь отриманих визначеним чином кодів чисел. Цифро-аналоговий перетворювач від відомих відрізняється тим, що при наявності тільки чотирьох вільних цифрових портів сигнального процесора 7, додатково введена загальна шина 10, через яку цифрові входи-виходи базового цифро-аналогового перетворювача 1 і клавіатури 8 підключені до цифрових входів-виходів порту D сигнального процесора 7. У цьому варіанті цифро-аналогового перетворювача процеси перетворення ідентичні описаним вище у першому варіанті цифро-аналогового перетворювача з урахуванням кількості цифрових портів та схем підключення функціональних блоків. 6 UA 103086 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Цифро-аналоговий перетворювач від відомих відрізняється тим, що, при наявності тільки трьох вільних цифрових портів сигнального процесора 7, додатково введена загальна шина 10 та регістр 9 коду числа NX, що перетворюється у напругу. Цифрові входи регістра 9 коду числа NX є входами цифро-аналогового перетворювача. Цифрові виходи-входи регістра 9 коду числа NX через загальну шину 10 підключені, як й цифрові входи-виходи базового цифро-аналогового перетворювача, до цифрових входів-виходів порту D сигнального процесора 7. У цьому варіанті цифро-аналогового перетворювача процеси перетворення ідентичні описаним вище у першому варіанті цифро-аналогового перетворювача з урахуванням кількості цифрових портів та схем підключення функціональних блоків. Цифро-аналоговий перетворювач за п. 1, від відомих відрізняється тим, що, при наявності трьох вільних цифрових портів сигнального процесора 7, додатково введена загальна шина 10 та рідинно-кристалічний індикатор (візуалізатор) 11, цифрові входи-виходи якого підключені до цифрових входів-виходів порту D сигнального процесора 7 через загальну шину 10. У цьому варіанті цифро-аналогового перетворювача процеси перетворення ідентичні описаним вище у першому варіанті цифро-аналогового перетворювача з урахуванням кількості цифрових портів та схем підключення функціональних блоків. Цифро-аналоговий перетворювач, що включає базовий цифро-аналоговий перетворювач паралельної чи послідовної дії, від відомих відрізняється тим, що додатково введені багато розрядний аналого-цифровий перетворювач 2, мікроконтролер 7 з цифровими портами підвищеної розрядності входів-виходів, тривходовий автоматичний перемикач 4, клавіатура 8, джерело опорної напруги (міра) 6, аналоговий суматор 5 і двох входовий автоматичний перемикач 3. Вихід двох входового автоматичного перемикача 3 є виходом цифро-аналогового перетворювача, перший вхід підключений до земляної шини, вхід управляння з'єднаний з цифровим виходом молодшого розряду порту Ε мікро-контролера 7. Другий вхід двохвходового автоматичного перемикача 3 підключений до об'єднаних між собою виходу базового цифроаналогового перетворювача 1, третього входу трьохвходового автоматичного перемикача 4 і першого входу аналогового суматора 5. Вихід аналогового суматора 5 з'єднаний з другим входом тривходового автоматичного перемикача 4. Другий вхід аналогового суматора 5 підключений до виходу джерела опорної напруги (міри) 6 і до першого входу тривходового автоматичного перемикача 4. Вихід тривходового автоматичного перемикача 4 з'єднаний зі входом багаторозрядного аналогоцифрового перетворювача 2, чий цифровий вхід-вихід підключений до цифрового входу-виходу порту А мікроконтролера 7. Цифрові входи-виходи порту В мікроконтролера 7 є входом коду числа ΝX, що перетворюється у напругу. Цифрові входи-виходи порту С мікроконтролера 7 з'єднані з цифровими входами-виходами клавіатури 8. Цифрові входи-виходи порту D мікроконтролера 7 підключені до цифрових входів-виходів базового цифро-аналогового перетворювача, а з виходом старших розрядів порту Ε мікроконтролера 7 з'єднані входи управління тривходового автоматичного перемикача 4. У цьому варіанті цифро-аналогового перетворювача процеси перетворення ідентичні описаним вище у першому варіанті цифро-аналогового перетворювача при урахуванні заміни "сигнального процесора 7" на "мікроконтролер 7". Додатково уведені тривходовий автоматичний перемикач 4 та аналого-цифровий перетворювач 2, що не впливає на опис роботи цифро-аналогового перетворювача. Слід підкреслити, що на сьогодні відсутні сигнальні процесори з вбудованими аналогоцифровими перетворювачами підвищеної розрядності - від 18 до 24 (36) розрядів. Це й обумовило використання багаторозрядного мікроконтролера 7 з зовнішнім аналого-цифровим перетворювачем 2 підвищеної розрядності. Цифро-аналоговий перетворювач від відомих відрізняється тим, що при наявності тільки чотирьох вільних цифрових портів мікроконтролера 7, додатково введена загальна шина 10, через яку цифрові входи-виходи багаторозрядного аналого-цифрового перетворювача 4 і клавіатури 8 підключені до цифрових входів-виходів порту А мікроконтролера 7. У цьому варіанті цифро-аналогового перетворювача процеси перетворення ідентичні описаним вище з урахуванням кількості цифрових портів та схем підключення функціональних блоків. Цифро-аналоговий перетворювач від відомих відрізняється тим, що при наявності тільки трьох вільних цифрових портів мікроконтролера 7, додатково введена загальна шина 10 і регістр 9 коду числа ΝX, що перетворюється у напругу. 7 UA 103086 C2 5 10 15 20 Цифрові входи регістра 9 коду числа ΝX є входами цифро-аналогового перетворювача. Цифрові виходи регістра 9 коду числа ΝX підключені до цифрових входів-виходів порту А мікроконтролера 7 через загальну шину 10, як й цифрові входи-виходи аналого-цифрового перетворювача 2 і клавіатури 8. У цьому варіанті цифро-аналогового перетворювача процеси перетворення ідентичні описаним вище з урахуванням кількості цифрових портів та схем підключення функціональних блоків. Цифро-аналоговий перетворювач від відомих відрізняється тим, що, при наявності тільки двох вільних цифрових портів мікроконтролера 7, додатково введена загальна шина 10, яка підключена до входів-виходів порту А мікроконтролера 7, і регістр 9 коду числа NX, що перетворюється у напругу. Цифрові входи регістра 9 коду числа NX є входами цифро-аналогового перетворювача. Цифрові виходи регістру 9 числа NX та цифрові входи-виходи базового цифро-аналогового перетворювача підключені до цифрових входів-виходів порту А мікроконтролера 7 через загальну шину 10, як й цифрові входи-виходи аналого-цифрового перетворювача 2 і клавіатури 8. У цьому варіанті цифро-аналогового перетворювача процеси перетворення також ідентичні описаним вище з урахуванням кількості цифрових портів та схем підключення функціональних блоків. Для зменшення випадкових складових похибки цифро-аналогового перетворення здійснюють багаторазові перетворення кожного числа чи величини з подальшою статистичною обробкою отриманих результатів. При наявності стаціонарних ергодичних випадкових завад та шумів, що діють на процес ' 25 ' ' '' '' цифро-аналогового перетворення, цифрові коди чисел N 1 , N 2 , N 3 , N 1 і N 2 , визначають по n разів (де n=7…34 чи n=35…50(100)). В цьому випадку отримані коди чисел статистично оброблюють за рівнянням числових значень N'x  {U } n N'  N' 1 n '  N xi  n0  '2i '1i n i1 i1 N 2i  N3i (12) i ' N'x  30 1 n '' N0  N xi  n n i1 n  ' '' N'2i  N1i '' i1 N 2i '  N'3i (13) ' '' Коди чисел N x (12) і N x (13) також запам'ятовують в оперативній пам'яті сигнального процесора чи мікроконтролера. Цифровий код числа Nxx визначається вже за рівнянням числових значень ' Nxx  2N'x  N'x . (14) 35 Отримане значення коду числа Nxx (14) запам'ятовують і на це значення замінюють вхідний код числа ΝX. N Отриманий код числа xx (14) за допомогою базового цифро-аналогового перетворювача 1 протягом заданого інтервалу часу перетворюється у дійсне значення вихідної (шуканої) напруги з виключеною систематичною та випадковою складовими похибки перетворення. 40 45 U ({U }  {U }  { { } ніж у n рази за рахунок здійснення обробки отриманих даних за рівнянням числових значень (14) з урахуванням (12) і (13). При наявності нестаціонарних завад та шумів з невідомим розподілом, отримані цифрові коди чисел (m=7-34 чи m=35-50(100)). N'x (12) і ' N'x (13) аналогічним чином визначають ще m разів t 50 } x2 x2 x x2 , x2 Отримана напруга (аналоговий сигнал) де середньоквадратичне відхилення чи невизначеність) разом з проміжними результатами перетворень висвітлюється, при необхідносте, на рідинно-кришталевому індикаторі (візуалізаторі) 11. Значення випадкової складової похибки перетворення зменшується більш, 1 , запам'ятовуються коди Протягом апріорі визначеного чи заданого інтервалу часу отриманих чисел і статистично оброблюються їх за рівнянням числових значень 8 UA 103086 C2 N 'x  1 n n N ' xi i1 (15) і N' ' x  1 n n N '' xi i 1 · (16) і запам'ятовуються в оперативній пам'яті сигнального процесора чи мікроконтролера. 5 Інтервал часу t 1 встановлюється в залежності як від рівня стаціонарних шумів та завад, так й в залежності від необхідної швидкодії цифро-аналогового перетворення кодів чисел. Бажано знати закон розподілення завад чи шумів. Цифровий код числа N xx 10 1  m m N j 1 xxj 1  m Nxx m  2N ' xj j Значення коду числа Nxx Після цього код числа визначається за рівнянням числових значень '  N'xj    (17) (17) також запам'ятовують. Nxx (17) подається на базовий цифро-аналоговий перетворювач 1 і протягом заданого інтервалу часу t 2 , перетворюється у дійсне значення вихідної (шуканої) напруги з виключеними систематичною та випадковою складовими похибки перетворення. { x3 } x3 x3 x x 3 , де Отриману напругу (аналоговий сигнал) - значення середньоквадратичного відхилення чи невизначеність результату перетворень) висвітлюється, при необхідності, на рідинно-кришталевому індикаторі (візуалізаторі) 11. Випадкова складова U 15 ({U }  {U }  { } m рази за рахунок здійснення похибки перетворення зменшується ще більш, ніж у статистичної обробки отриманих даних та обробки за рівнянням числових значень (17) з урахуванням (15) і (16). 20 Інтервал часу t 2 встановлюється в залежності від виду завад. При періодичних завадах інтервал часу t 2 встановлюють рівним один - п'ять (десять) періодів сигналу завади, в 25 30 35 залежності від значення їх періоду, тобто t 2 = (1-5)T3. При нестаціонарних завадах інтервал часу визначають у кожному випадку за іншими умовами. Для цього необхідно знати закон розподілення завад чи шумів. Таким чином, запропонований цифро-аналоговий перетворювач та його варіанти забезпечують вирішення поставленої технічної задачі. Запропоновані такі технічні рішення цифро-аналогових перетворювачів, які забезпечують природне виключення систематичних похибок перетворення цифрових кодів у аналогову величину (напругу, струм, заряд тощо) та, при необхідності, зменшення випадкових похибок перетворення, що обумовлені дією зовнішніх дестабілізуючих факторів на функціональні блоки цифро-аналогових перетворювачів. Це забезпечено введенням нових функціональних блоків та їх зв'язків з іншими функціональними блоками та використанням цифрової обробки кодів чисел та параметрів. Досягнення позитивного ефекту, тобто природне виключення похибок результату цифроаналогового перетворення, стало можливим завдяки використанню новітньої теорії надлишкових вимірювань (вимірювальних перетворень), що створена і розвивається автором. ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 40 45 1. Цифро-аналоговий перетворювач, що включає базовий цифро-аналоговий перетворювач, який відрізняється тим, що в нього додатково введені сигнальний процесор, клавіатура, джерело опорної напруги, аналоговий суматор і автоматичний перемикач, вихід якого є виходом цифроаналогового перетворювача, перший вхід підключений до земляної шини, вхід управляння з'єднаний з виходом одного з розрядів цифрового порту E сигнального процесора, другий вхід автоматичного перемикача підключений до об'єднаних між собою виходу базового цифро-аналогового перетворювача, третього входу аналогового порту сигнального процесора і першого входу аналогового суматора, вихід якого з'єднаний з другим входом аналогового порту сигнального процесора, другий вхід аналогового суматора підключений до виходу джерела опорної напруги і до першого входу аналогового порту 9 UA 103086 C2 сигнального процесора, цифрові входи-виходи цифрового порту аналогового перетворювача для подачі коду числа виходи цифрового порту 5 10 C B якого є цифровими входами цифро N x , що перетворюється у напругу, цифрові входи сигнального процесора з'єднані з цифровими входами-виходами клавіатури, а цифрові входи-виходи цифрового порту D сигнального процесора підключені до цифрових входів-виходів базового цифро-аналогового перетворювача. 2. Цифро-аналоговий перетворювач за п. 1, який відрізняється тим, що додатково введена загальна шина, через яку цифрові входи-виходи базового цифро-аналогового перетворювача і клавіатури підключені до цифрових входів-виходів цифрового порту D сигнального процесора. 3. Цифро-аналоговий перетворювач за п. 1, який відрізняється тим, що додатково введена загальна шина та регістр коду числа Nx , що перетворюється у напругу, цифрові входи якого є цифровими входами цифро-аналогового перетворювача, цифрові виходи-входи регістра коду числа Nx 15 20 25 30 через загальну шину підключені, як й цифрові входи-виходи базового цифро-аналогового перетворювача, до цифрових входів-виходів цифрового порту D сигнального процесора. 4. Цифро-аналоговий перетворювач за п. 1, який відрізняється тим, що додатково введена загальна шина та рідинно-кристалічний індикатор, цифрові входи-виходи якого підключені до цифрових входів-виходів цифрового порту D сигнального процесора через загальну шину. 5. Цифро-аналоговий перетворювач, що включає базовий цифро-аналоговий перетворювач, який відрізняється тим, що в нього додатково введені багаторозрядний аналого-цифровий перетворювач, мікроконтролер з цифровими портами підвищеної розрядності входів-виходів, тривходовий автоматичний перемикач, клавіатура, джерело опорної напруги, аналоговий суматор і двовходовий автоматичний перемикач, вихід якого є виходом цифро-аналогового перетворювача, перший вхід підключений до земляної шини, вхід управління з'єднаний з цифровим виходом молодшого розряду цифрового порту E мікроконтролера, другий вхід двовходового автоматичного перемикача підключений до об'єднаних між собою виходу базового цифро-аналогового перетворювача, третього входу тривходового автоматичного перемикача і першого входу аналогового суматора, вихід якого з'єднаний з другим входом тривходового автоматичного перемикача, другий вхід аналогового суматора підключений до виходу джерела опорної напруги і до першого входу тривходового автоматичного перемикача, вихід якого з'єднаний зі входом багаторозрядного аналого-цифрового перетворювача, чий цифровий вхід-вихід підключений до цифрового входу-виходу цифрового порту A мікроконтролера, цифрові входи-виходи цифрового порту B якого є входом коду числа перетворюється у напругу, цифрові входи-виходи цифрового порту 35 40 C N x , що з'єднані з цифровими входами виходами клавіатури, цифрові входи-виходи цифрового порту D мікроконтролера підключені до цифрових входів-виходів базового цифро-аналогового перетворювача, а з виходом старших розрядів цифрового порту E мікроконтролера з'єднані входи управління тривходового автоматичного перемикача. 6. Цифро-аналоговий перетворювач за п. 5, який відрізняється тим, що додатково введена загальна шина, через яку цифрові входи-виходи багаторозрядного аналого-цифрового перетворювача і клавіатури підключені до цифрових входів-виходів цифрового порту A мікроконтролера. 7. Цифро-аналоговий перетворювач за п. 5, який відрізняється тим, що додатково N x , що перетворюється у напругу, цифрові входи якого є входами цифро-аналогового перетворювача, цифрові виходи регістра коду числа N x введена загальна шина і регістр коду числа 45 підключені до цифрових входів-виходів цифрового порту А мікроконтролера через загальну шину, як й цифрові входи-виходи аналого-цифрового перетворювача і клавіатури. 8. Цифро-аналоговий перетворювач за п. 5, який відрізняється тим, що додатково введена загальна шина, яка підключена до входів-виходів цифрового порту А мікроконтролера, і N x , що перетворюється у напругу, цифрові входи якого є входами цифроперетворювача, цифрові виходи регістру числа N x та цифрові входи-виходи регістр коду числа 50 аналогового базового цифро-аналогового перетворювача підключені до цифрових входів-виходів цифрового 10 UA 103086 C2 порту A мікроконтролера через загальну шину, як й цифрові входи-виходи аналого-цифрового перетворювача і клавіатури. 11 UA 103086 C2 12 UA 103086 C2 13 UA 103086 C2 Комп’ютерна верстка І. Скворцова Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 14