Спосіб аналого-цифрового перетворення

Спосіб аналого-цифрового перетворення, що заснований на модифікованому алгоритмі МакЧарльза, який полягає в тому, що вводять сигнали для корегування похибок, які впливають на лінійність перетворення і на коефіцієнт нахилу характеристики перетворення, за допомогою аналогоцифрового перетворювача отримують результую 3 передають на наступний цикл. Аналогічним чином визначають й інші розряди вихідного коду. Рівняння перетворення в даному випадку матиме вигляд: Uі+1=(2+Δ1)·Ui+(1+Δ2)·Вi·Uоп, (7) де Δ1 - похибка, яка впливає на лінійність перетворювача; Δ2 - похибка, яка впливає на коефіцієнт нахилу характеристики перетворення; Uі - аналогова напруга на і-му циклі; Bі - це значення розряду отримане на попередньому циклі. Недоліком цього способу є низька параметрична надійність перетворення, що призводить до зниження точності при змінені умов навколишнього середовища, зокрема температури. В основу корисної моделі поставлено задачу створення способу аналого-цифрового перетворення, в якому за рахунок введення операції самокалібрування, яка полягає у визначенні похибок і реальної системи числення, яку використовують в процесі перетворення дозволяє підвищити параметричну надійність і точність при зміні умови навколишнього середовища, зокрема температури. Суть цифрового самокалібрування полягає в тому, що калібрують не розряд, а похибку. Поставлену задачу досягають тим, що в способі аналого-цифрового перетворення, який полягає в тому, що на кожному і-ому циклі в режимі калібрування формують наступний молодший розряд перетворювача і порівнюють його із сформованим сигналом на додатковому перетворювачі, в результаті порівняння у режимі основного перетворення у сигнал вносять компенсуючий сигнал, в результаті чого визначають реальні ваги розрядів перетворювача, які далі використовують в режимі основного перетворення. На Фіг.1 представлено структурну схему аналого-цифрового перетворювача, що реалізує запропонований спосіб, на Фіг.2 представлено структурну схему блоку калібрувальних сигналів. Пристрій містить вхідну аналогову шину 12, яку з'єднано з першим інформаційним входом аналогового комутатора 2, на другий, третій і четвертий інформаційні входи якого відповідно подають сигнали із суматора 6, генератора калібрувальних сигналів 1 і шини опорної напруги 11, керуючий вхід якого 13 з'єднано з блоком керування 10, на керуючий вхід аналогового комутатора 2 подається керуючий сигнал «Пуск» 13 з блоку керування 10, вхід генератора калібрувальних сигналів 1 з'єднано з шиною опорної напруги 11, вихід аналогового комутатора 2 з'єднано з входом блоку вибірки-зберігання 3, вихід якої приєднано з входом схеми множення на основу системи числення 4 і калібрувальним малорозрядним аналогоцифровим перетворювачем (АЦП) 7, вихід схеми множення на основу системи числення 4 приєднано до першого входу схеми порівняння 5 і до першого входу суматора 6, на другий вхід схеми порівняння 5 подають сигнал із шини опорної напруги 11, вихід схеми порівняння 5 приєднано до першого входу схеми множення 15 і першим інформаційним входом цифрового обчислювального при 54812 4 строю 9, другий вхід схеми множення 15 з'єднано з шиною опорної напруги 11, вихід якої з'єднано з входом суматора 6. вихід суматора 6 з'єднано з другим інформаційним входом аналогового комутатора, вихід калібрувального малорозрядного аналого-цифрового перетворювача 7 з'єднано з входом оперативно запам'ятовуючого пристрою 8, вихід якого приєднано до другого інформаційного входу цифрового обчислювального пристрою 9, керуючий вхід даного пристрою з'єднано з другим виходом блока керування 10, за допомогою шини «Кінець перетворення» 13, вихід цифрового обчислювального пристрою 9 приєднано до вихідної цифрової шини 14. Блок калібрувальних сигналів 1 містить джерело струму 18, перший вивід якого з'єднано з шиною нульового потенціалу 16, другий вивід джерела струму 18 об'єднано з першою клемою ключового елемента 27. Другу клему ключового елемента 27 з'єднано з першою клемою ключового елемента 19, першою клемою ключового елемента 23, першим виводом конденсатора 20, від'ємним входом підсилювача постійного струму 21. Додатний вхід підсилювача постійного струму 21 з'єднано з шиною нульового потенціалу 16, вихід підсилювача постійного струму 21, що є виходом блока калібрувальних сигналів 1, з'єднано з другою клемою ключового елемента 19, другим виводом конденсатора 20. Другу клему ключового елемента 23 з'єднано з першим виводом конденсатора 26 і першою клемою ключового елемента 25. Другу клему ключового елемента 25 з'єднано з шиною нульового потенціалу 16. Другий вивід конденсатора 26 з'єднано з першою клемою ключового елемента 24 і першою клемою ключового елемента 22, другу клему ключового елемента 24 з'єднано з шиною нульового потенціалу 16. Другу клему ключового елемента 22 з'єднано з вхідною шиною 17, вхідну шину 17 з'єднано з шиною опорної напруги 11. Перед початком самокалібрування по команді блоку керування 10 аналоговий комутатор 2 підключає вихід блока калібрувальних сигналів 1 до входу блоку вибіркизберігання 3, що являється сигналом початку циклу калібрування старшого розряду перетворювача. Спосіб аналого-цифрового перетворення реалізують таким чином. Організацію роботи передбачають у двох режимах: самокалібрування і основного перетворення, причому перший передує другому. У режимі самокалібрування визначають реальне значення основи системи числення і похибки, які впливають на лінійність перетворювача і коефіцієнт нахилу характеристики перетворення. В режимі самокалібрування сигнал від блоку калібрувальних сигналів 1 проходить через аналоговий комутатор 2, пристрій вибірки-зберігання 3. З пристрою вибірки-зберігання 3 сигнал подають на схему множення 4, де множать на основу системи числення і на вхід калібрувального малорозрядного аналого-цифрового перетворювача 7. Помножений сигнал передають на схему порівняння 5, де порівнюють з опорною напругою. Якщо сигнал менший за опорну напругу, то старший біт встано 5 54812 влюють в "1", а сигнал передають на вхід схеми множення 15, де множать значення опорної напруги на сформоване значення біта, отриману величину передають на суматор 6 і сигнал з виходу схеми множення на основу системи числення 4 додають до даного сигналу, з суматора 6 отриману напругу передають на аналоговий комутатор 2 на наступний цикл для визначення чергового значення калібрувальної величини. У тому випадку, коли сигнал більший за опорну напругу, то старший біт встановлюють в "-1", а сигнал передають на вхід схеми множення 15, де множать значення опорної напруги на сформоване значення біта, отриману величину передають на суматор 6 і сигнал з виходу схеми множення на основу системи числення 4 додають до даного сигналу, з суматора 6 отриману напругу передають на аналоговий комутатор 2 на наступний цикл для визначення чергового значення калібрувальної величини. Аналогічним чином визначають й інші розряди вихідного коду. Сигнал, що отримано на вході калібрувального малорозрядного аналого-цифрового перетворювача 7 перетворюють в цифровий код і зберігають в оперативно запам'ятовуючому пристрої 8. З оперативно запам'ятовуючого пристрою 8 даний цифровий код подають на цифровий обчислювальний блок 9, де порівнюють його з сигналом сформованим на виході схеми порівняння 5, і при необхідності вносять поправки. Квантована величина Uі входить у вираз: N 1 N 2N iBi Ui Uоп Uоп i 0 Розділивши обидві частини на αN, отримують: N 1 Ui Uоп i Bi Uоп / N i 0 Дану умову можна також записати у наступному вигляді: N 1 Ui Uоп i N Bi , де -Uоп/α ≤δ≤Uоп/α N i 0 Послідовність коефіцієнтів Bі розбивають на дві послідовності коефіцієнтів Ві+ та Ві- у відповідності з правилом: 0, при Ві 1 Bi 1 при Ві 1 Bi 0, при Ві 1 1 при Ві 1 Тоді рівняння записують у вигляді: N 1 Ui Uоп i Bi . Bi i 0 Таким чином, результат перетворення формують у вигляді двох двійкових послідовностей, члени однієї із яких віднімають від відповідних членів іншої: N 1 Ui / Uоп / Uоп i Bi Bi i 0 Похибка квантування в даному випадку дорівнює Uoп/αN. Процес перетворення реалізують за допомогою співвідношення: Ui+1=(α+Δ1)·Ui+(1+Δ2)·Bi·Uоп. 6 Структура циклічного АЦП розряднонезалежна, її точність значно залежить від точності виконання кожним блоком своїх функцій, оскільки похибки накопичують і циркулюють від циклу до циклу. Кожен блок, що входить до даного перетворювача вносить свою похибку у вихідний код: ПВЗ 0 ПВЗ СП 0 СП СМ 0 СМ МН 0 МН ЛІН ПВЗ ЛІН МН Сумарну похибку АЦП визначають за співвідношенням: ΔΣКАН=ΔΣПВЗ+ΔΣСП+ΔΣСМ+ΔΣМН Похибки зсуву лінійності впливають на лінійність перетворювача і являються коригованими, а похибки інтегральної нелінійності є мультиплікативними і частково коригованими. Для підвищення точності перетворення зменшують вплив даних похибок або усувають їх. Після декількох циклів калібрування результати цих калібрувань порівнюють і вносять відповідні поправки. Якщо кількість ітерацій рівна 2, отримують наступні співвідношення: Ui 1 ' Ui 2 . Ui 2 ' Ui 1 2 Віднявши дані співвідношення автоматично усувають адитивну похибку лінійності: Ui+2-Ui+1=α'·Ui+1-Ui. Реальне значення основи системи числення визначають за допомогою співвідношення: Ui 2 Ui 1 , ' Ui 1 Ui де α'=α+Δ1. При попередньому визначенні адитивної похибки Δ2 до неї додають похибку зсуву нуля калібруючого малорозрядного аналого-цифрового перетворювача 7, тому пропонують визначати адитивну похибку як складову похибки масштабування, і визначають її із наступного співвідношення: N Bi K i i 0 . Uоп Підвищити точність визначення α пропонують двома шляхами: збільшити кількість циклів перетворення, або збільшити кількість сигналів від генератора калібрувальних сигналів 1. Для зменшення розрядності калібрувального малорозрядного перетворювача 1 і для зменшення похибки квантування пропонують здійснювати процедуру багаторазового калібрування, а результат усереднити за співвідношенням: r l 1 Qlk . r Після проведення калібрування пристрій переходить у режим основного перетворення, тому калібрувальний малорозрядний аналоговоцифровий перетворювач 7 не використовують, а Qk 7 54812 сигнал із аналогової вхідної шини за допомогою аналогового комутатора 2 подають на блок вибірки-зберігання 3, схему множення на основу системи числення 4, схему порівняння 5, суматор 6 і Комп’ютерна верстка Н. Лиcенко 8 цифровий обчислювальний пристрій 9. При використанні запропонованого способу перетворення відбувається на основі співвідношення: Ui+1=(α+Δ1)·Ui+(і+Δ2)·Bi·Uоп. Підписне Тираж 26 прим. Міністерство освіти і науки України Державний департамент інтелектуальної власності, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601