Аналого-цифровий перетворювач проф. кондратова в.т.

Реферат: Аналого-цифровий перетворювач належить до області обчислювальної та вимірювальної техніки, зокрема до аналого-цифрових перетворювачів паралельного, послідовного та паралельно-послідовного перетворення аналогових величин направленої дії: напруг, струмів, потоків, сили, тиску тощо у цифровий код. Перетворювач включає інтерфейс і базовий аналогоцифровий перетворювач, що реалізує паралельний, послідовний чи паралельно-послідовний метод перетворення, від відомих відрізняється тим, що в нього додатково введені автоматичний перемикач, суматор, джерело опорної напруги (міра), клавіатура та мікроконтролер, цифрові виходи якого є виходами аналого-цифрового перетворювача, Запропонований аналого-цифровий перетворювач забезпечує автоматичне виключення систематичних похибок аналого-цифрового перетворення напруги, а при багатократних перетвореннях і статистичній обробці проміжних результатів за апріорі визначеним рівнянням числових значень зменшує й випадкову складову похибки. UA 103075 C2 (12) UA 103075 C2 UA 103075 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Винахід належить до області обчислювальної та вимірювальної техніки, зокрема до аналого-цифрових перетворювачів паралельної, послідовної та паралельно-послідовної дії і може бути використаний для прецизійного аналого-цифрового перетворення аналогових величин направленої дії: напруг, струмів, потоків, сили, тиску тощо у цифровий код. Відомий аналого-цифровий перетворювач (див., наприклад, Аналого-цифровые преобразователи. Общие сведения, http://www.gaw.ru/html.cgi/txt/doc/adc/index.htm чи http:/neochaos.narod.ru/), що включає в собі інтерфейс і базовий аналого-цифровий перетворювач, що реалізує паралельний, послідовний чи паралельно-послідовний метод перетворення. Відомому аналого-цифровому перетворювачу притаманні недостатня точність перетворення, що обумовлена наявністю адитивної та мультиплікативної складових систематичної похибки перетворення. Останні мають місце в результаті дії зовнішніх дестабілізуючих факторів на функціональні блоки та елементи. Це призводить до відхилення параметрів функції перетворення від номінальних значень і появі додаткових похибок (див. http://www.gaw.ru/html.cgi/txt/doc/adc/adc_8.htm). Відомий аналого-цифровий перетворювач (див., наприклад, Гитис Э.И. и Пискулов Е.А. Аналого-цифровые преобразователи. - М.: Энергоиздат, 1991), що включає джерело живлення, інтерфейс і базовий аналого-цифровий перетворювач, що реалізує паралельний, послідовний чи паралельно-послідовний метод перетворення. Відомому аналого-цифровому перетворювачу притаманні недостатня точність перетворення, що обумовлена відхиленням параметрів функції перетворення від номінальних значень за рахунок старіння та дії зовнішніх дестабілізуючих факторів на функціональні блоки і елементи перетворювача. Відомий аналого-цифровий перетворювач (см. патент РФ № 2121753, МПК Н03М 1/50. Белов А.Г. Аналого-цифровой преобразователь): "преобразователь содержащий генератор пилообразного напряжения, компаратор, триггер, генератор импульсов, элемент «И» и первый двоичный счетчик, причем вход генератора пилообразного напряжения связан с установочным входом триггера и является первым входом устройства, а выход генератора пилообразного напряжения через первый вход компаратора соединен со сбросовым входом триггера, прямым выходом включенного на первый вход элемента «И», вторым входом связанного с выходом генератора импульсов, отличающийся тем, что в него дополнительно введены второй двоичный счетчик, усилитель, релейный элемент, первый и второй ключи, причем сбросовые входы счетчиков объединены с первым входом устройства, вход усилителя связан с первым входом первого ключа и является вторым входом устройства, а выход усилителя включен на второй вход первого ключа, выходом соединенного с вторым входом компаратора, и на вход релейного элемента, выход которого соединен с управляющими входами первого и второго ключей, элемент «И» включен на вход второго ключа, первым и вторым выходами соединенного с суммирующими входами соответственно первого и второго счетчиков, а выход переполнения второго счетчика включен на суммирующий вход первого счетчика. Кроме того в преобразователе коэффициент передачи усилителя является показательной функцией с основанием два, а показатель степени - целое число, при этом число разрядов второго счетчика равно показателю степени коэффициента передачи усилителя". Відомому аналого-цифровому перетворювачу притаманна недостатня точність перетворення, що обумовлена наявністю похибок перетворення за рахунок деградації елементів та блоків перетворювача під дією процесів старіння та зовнішніх дестабілізуючих факторів. Недоліком відомого аналого-цифрового перетворювача є наявність систематичної похибки, що обумовлена часовими затримками елементів, чутливістю до впливу завад, складність технології виготовлення та налагодження. Відомий аналого-цифровий перетворювач (див., наприклад, Аналого-цифровые преобразователи, http://www.russianelectronics.ru/engineer-r/review/intergal/354/doc/744/. Современные аналого-цифровые преобразователи), який включає в собі інтерфейс і базовий аналого-цифровий перетворювач, що реалізує паралельний, послідовний чи паралельнопослідовний метод перетворення. Відомому аналого-цифровому перетворювачу також притаманна недостатня точність перетворення, що обумовлена наявністю похибок перетворення за рахунок деградації елементів та блоків перетворювача під дією процесів старіння та зовнішніх дестабілізуючих факторів. Поставлена технічна задача створення такого універсального аналого-цифрового перетворювача, який би зміг підвищити точність перетворення будь-якого іншого базового аналого-цифрового перетворювача, що реалізує паралельний, послідовний чи паралельнопослідовний метод перетворення, і забезпечити автоматичне виключення адитивної та 1 UA 103075 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 мультиплікативної складових систематичної похибки перетворення шляхом обробки результатів проміжних перетворень за апріорі виведеному рівнянню числових значень, та суттєве зменшення випадкової складової похибки за рахунок багатократних перетворень і статистичної обробки отриманих даних. Вирішення поставленої технічної задачі досягається тим, що аналого-цифровий перетворювач проф. Кондратова В.Т., який включає інтерфейс і базовий аналого-цифровий перетворювач, що реалізує паралельний, послідовний чи паралельно-послідовний метод перетворення, від відомих відрізняється тим, що в нього додатково введені автоматичний перемикач, суматор, джерело опорної напруги (міра), клавіатура та мікроконтролер, цифрові виходи якого є виходами аналого-цифрового перетворювача, входи одного із портів з'єднані з виходами клавіатури, входи-виходи другого порту мікроконтролера через інтерфейс підключені до цифрових виходів базового аналого-цифрового перетворювача, виходи двох молодших розрядів третього порту з'єднані зі входами управління автоматичного перемикача, вихід якого підключений до аналогового входу базового аналого-цифрового перетворювача, перший вхід з'єднаний з першим входом суматора і є входом аналого-цифрового перетворювача, третій вхід підключений до виходу суматора, а другий вхід автоматичного перемикача з'єднаний з другим входом суматора і підключений до першого виходу джерела опорної напруги, другий вихід якого з'єднаний зі входом живлення базового аналого-цифрового перетворювача. На кресленні наведена структурна схема аналого-цифрового перетворювача, де 1 автоматичний перемикач, 2 - аналого-цифровий перетворювач, 3 - інтерфейс, 4 мікроконтролер, 5 - суматор, 6 - джерело опорної напруги, 7 - клавіатура. При цьому аналого-цифровий перетворювач проф. Кондратова В.Т. включає інтерфейс 3 і базовий аналого-цифровий перетворювач 2, який реалізує паралельний, послідовний чи паралельно-послідовний метод перетворення. Від відомих він відрізняється тим, що в нього додатково введені автоматичний перемикач 1, суматор 5, джерело опорної напруги (міра) 6, клавіатура 7 та мікроконтролер 4. Цифрові виходи мікроконтролера 4 є виходами аналого-цифрового перетворювача. Входи одного із портів мікроконтролера 4 з'єднані з виходами клавіатури 7. Входи-виходи другого порту мікроконтролера 4 через інтерфейс 3 підключені до цифрових виходів базового аналогоцифрового перетворювача 2. Виходи двох молодших розрядів третього порту мікроконтролера 4 з'єднані зі входами управління автоматичного перемикача 1, вихід якого підключений до аналогового входу базового аналого-цифрового перетворювача 2. Перший вхід автоматичного перемикача 1 з'єднаний з першим входом суматора 5 і є входом аналого-цифрового перетворювача. Третій вхід автоматичного перемикача 1 підключений до виходу суматора 2, а другий вхід автоматичного перемикача 1 з'єднаний з другим входом суматора 5 і підключений до першого виходу джерела опорної напруги 6. Другий вихід джерела опорної напруги 6 з'єднаний зі входом живлення базового аналого-цифрового перетворювача 2. Суть запропонованого технічного рішення аналого-цифрового перетворювача полягає у наступному. По-перше, запропонований аналого-цифровий перетворювач реалізує новітній спосіб надлишкового аналого-цифрового перетворення сигналів. По-друге, для реалізації новітнього способу необхідні обмежена кількість додаткових функціональних блоків та мікроконтролер чи процесор, що забезпечує виконання усіх операцій управління роботою блоків та обчислення отриманих даних. Розглянемо суть роботи запропонованого технічного рішення на прикладі роботи аналогоцифрового перетворювача, структурна схема якого наведена на кресленні. Робота аналогоцифрового перетворювача складається з трьох тактів перетворення аналогового сигналу та одного такту обчислення результатів проміжних перетворень по наперед заданому рівнянню числових значень. Після включення живлення всі функціональні блоки аналого-цифрового перетворювача встановлюються у початковий стан. При необхідності у оперативну пам'ять мікроконтролера 4 за допомогою клавіатури 7 записується значення напруги, що відтворюється джерелом опорної напруги (мірою). Зазвичай це значення апріорі записується у постійну пам'ять мікроконтролера 4. Воно може служити «кодом доступу» щодо роботи аналого-цифрового перетворювача. Припустимо, що функція перетворення базового АЦП є лінійною Nх=S'лUх+ΔN'=Sл(1+γл)Uх+(ΔN+ΔNа), (1) де S'л - реальна крутість аналого-цифрового перетворення; Sл - номінальна за значенням крутість аналого-цифрового перетворення; γл - відносне відхилення функції перетворення від номінального значення (γх=ΔSл/Sл); ΔN'- зсув функції перетворення під дією дестабілізуючих факторів; ΔNм - числове значення мультиплікативної похибки перетворення (ΔNм=UxΔSл); ΔNа 2 UA 103075 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 числове значення адитивної похибки перетворення, і не проходить через нуль, тобто зміщена на деяке значення ΔN'. У першому такті роботи за командою з мікроконтролера 4 автоматичний перемикач 1 встановлюється у положення, при якому на вхід базового аналого-цифрового перетворювача 2 надходить перша напруга U1, значення якої невідоме, тобто {U1}={Ux}. В результаті перетворення її за допомогою базового аналого-цифрового перетворювача 2, на цифрові входи-виходи мікроконтролера 4 через інтерфейс 3 надходить код числа N1=k1S'лUx+ΔN'. (2) де k1 - коефіцієнт передачі автоматичного перемикача по першому входу. Дійсне значення (2) напруги U1 запам'ятовується у оперативній пам'яті мікроконтролера 4. У другому такті за командою з мікроконтролера 4 автоматичний перемикач 1 встановлюється у положення, при якому на вхід базового аналого-цифрового перетворювача 2 з виходу джерела 6 опорної напруги надходить друга напруга U2, значення якої відоме ({U2}={U0}). В результаті перетворення її за допомогою базового аналого-цифрового перетворювача 2, на цифрові входи-виходи мікроконтролера 4 через інтерфейс 3 надходить код числа N2=k2S'лU0+ΔN'. (3) де k2 - коефіцієнт передачі автоматичного перемикача по другому входу. Дійсне значення (3) зразкової напруги U2 ({U2}={U0}), запам'ятовується у оперативній пам'яті мікроконтролера 4. У третьому такті роботи за командою з мікроконтролера 4 автоматичний перемикач 1 встановлюється у положення, при якому на вхід базового аналого-цифрового перетворювача 2 з виходу суматора 5 надходить третя напруга U3, значення якої дорівнює сумі значень шуканої і опорної напруг, тобто {U3}={Ux}+{U0}. В результаті перетворення її за допомогою базового аналого-цифрового перетворювача 2, на цифрові входи-виходи мікроконтролера 4 через інтерфейс 3 надходить код числа N3=k3S'л{k4Ux+k5U0)+ΔN'=S'л(k3k4Ux+k3k5U0)+ΔN'. (4) де k3 - коефіцієнт передачі автоматичного перемикача по третьому входу; k4 - коефіцієнт передачі суматора по першому входу; k5 - коефіцієнт передачі суматора по другому входу . Дійсне значення напруги U3 ({U3}={Uх}+{U0}) запам'ятовується у оперативній пам'яті мікроконтролера 4. У четвертому такті за командою з мікропроцесора 4 здійснюється обчислення результатів проміжних перетворень за рівнянням числових значень N  N2 (5), Nx  N0 3 N3  N1 де N0 - паспортне значення зразкової напруги, що відтворюється мірою (паспортне значення напруги джерела 6 опорної напруги). Код числа (5) запам'ятовується у оперативній пам'яті мікроконтролера 4 та передається для подальшого використання. Далі процес перетворення повторюється аналогічним чином. Отриманий результат аналого-цифрового перетворення не залежить від абсолютних значень параметрів функції перетворення (1) та їх відхилень від номінальних значень. Це не важко довести, якщо підставити у (5) аналітичні вирази для результатів перетворення (2), (3) і (4). Тоді маємо: S' k k U  k 3k 5U0   N'k 2S' л U0  N' kk U  k 3k 5U0  k 2U0 Nx  N0 л 3 4 x  N0 3 4 x (6) S' л k 3k 4Ux  k 3k 5U0   N'k1S' л Ux  N' k 3k 4Ux  k 3k 5U0  k1Ux . Приведемо подібні члени: k k U  U0 k 3k 5  k 2  Nx  N0 3 4 x k 3k 4Ux  Ux k 3k 5  k1  . Практично не важко забезпечити рівність зазначених коефіцієнтів передачі між собою, тобто k1=k2=k3=k4=k5=k або у інший спосіб, - тобто k1=k2=k3k4=k3k5=k. Тоді маємо S U U Nx  N0 л x  N0 x  Nx (7) S лU0 U0 . На практиці доцільно забезпечити рівність одиниці коефіцієнтів передачі автоматичного перемикача і суматора по всіх входах, тобто k=1. При необхідності можна вирішити задачу k1=k2=1 і k3k4=k3k5=1. Таким чином, у кінцевому результаті аналого-цифрового перетворення відсутні адитивна та мультиплікативна складові похибки перетворення. 3 UA 103075 C2 Слід зазначити, що при наявності стаціонарних випадкових завад та шумів, що рівномірно розподілені у часі, дійсне значення Nxi шуканої напруги визначають n разів (де n=7...34 чи n=35...50(100)). Отримані значення запам'ятовують в оперативній пам'яті мікроконтролера 4 і, за відповідною командою, статистично оброблюють за рівнянням числових значень Nx  5 10 N 1 n  Nxi  n0 n i 1 N N n  N3i  N2i (8) , де N1i, N2i і N3i - миттєві числові значення кодів чисел дійсних значень напруг, що перетворюються у кожному циклі. За числовим значенням (8) судять про усереднений результат аналого-цифрового перетворення, що являє собою усереднене дійсне значення шуканої напруги Ux. Код числа (8) запам'ятовується чи передається для подальшого використання. При наявності стаціонарних завад та шумів з іншим розподіленням у кожному такті перетворення операцію аналого-цифрового перетворення тієї чи іншої напруги у цифровий код виконують n разів (n=7...34 чи n=35...50(100). За командою з мікроконтролера 4 статистично обробляють отримані дані за рівнянням числових значень i 1 3i 1i n 15 N3  N2 N3  N1 i 1 n i 1 n i 1 Nx  N0 n i 1  N3i   N2i  N0  N3i   N1i (9) , де N1 , N2 , N3 і N4 - результати статистичної обробки n кодів чисел у кожному такті. За числовим значенням (9) судять про усереднений результат аналого-цифрового перетворення, тому що він являє собою усереднене числове значення шуканої напруги і має суттєво зменшену у n разів випадкову складову похибки. Код числа (9) запам'ятовують та передають для подальшого використання. При наявності нестаціонарних завад та шумів з невідомим розподілом, операції отримання 20 N цифрового коду усередненого значення xj шуканої напруги аналогічним чином повторюють ще m разів (m=7...34 чи m=35...50(100). Отримані результати статистично обробляються за командою з мікроконтролера 4. Про дійсне значення напруги судять за рівнянням числових значень Nx  25 30 35 1 m m  Nxj j 1 (10) , N де xj - попередньо усереднене числове значення шуканої напруги, за яким й судять про подвійно усереднений результат аналого-цифрового перетворення. Останній являє собою подвійно усереднене дійсне значення шуканої напруги з суттєво зменшеною у nm рази випадковою складовою похибки. Код числа (10) запам'ятовується та передається для подальшого використання. Таким чином, запропоноване технічне рішення забезпечує досягнення поставленої технічної задачі щодо створення такого універсального аналого-цифрового перетворювача, який би зміг підвищити точність перетворення будь-якого іншого базового аналого-цифрового перетворювача, що реалізує паралельний, послідовний чи паралельно-послідовний метод перетворення, забезпечити автоматичне виключення адитивної та мультиплікативної складових систематичної похибки перетворення шляхом обробки результатів проміжних перетворень за апріорі виведеному рівнянню числових значень, та суттєве зменшити випадкову складову похибки за рахунок багатократних перетворень і статистичної обробки отриманих даних за апріорі визначеними рівняннями числових значень. ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 40 45 Аналого-цифровий перетворювач, який включає інтерфейс і базовий аналого-цифровий перетворювач, який відрізняється тим, що в нього додатково введені автоматичний перемикач, суматор, джерело опорної напруги, клавіатура та мікроконтролер, цифрові виходи якого є виходами аналого-цифрового перетворювача, входи першого порту мікроконтролера з'єднані з виходами клавіатури, входи-виходи другого порту мікроконтролера через інтерфейс підключені до цифрових виходів базового аналого-цифрового перетворювача, виходи двох 4 UA 103075 C2 5 молодших розрядів третього порту мікроконтролера з'єднані зі входами управління автоматичного перемикача, вихід якого підключений до аналогового входу базового аналогоцифрового перетворювача, перший вхід автоматичного перемикача з'єднаний з першим входом суматораі є входом аналого-цифрового перетворювача, третій вхід автоматичного перемикача підключений до виходу суматора, а другий вхід автоматичного перемикача з'єднаний з другим входом суматора і підключений до першого виходу джерела опорної напруги, другий вихід якого з'єднаний зі входом живлення аналого-цифрового перетворювача. Комп’ютерна верстка С. Чулій 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 5