Спосіб цифро-аналогового перетворення

Винахід належить до галузі автоматики та обчислювальної техніки і може бути використаний для побудови прецизійних цифрових вимірювальних систем, переважно для океанографічних досліджень. Специфіка гідрофізичних вимірювань, пов'язана з дослідженнями, наприклад, тонкої термохалинной структури та мікроструктури морського і океанічного термоклина, реєстрацією відхилень по температурі і питомій електропровідності порядку 0,0005¸0,002°С і 0,0005¸0,002мсм/см, що відповідає реальним перепадам названих параметрів [1, с. 211], пред'являє до гідрофізичної апаратури досить високі вимоги до метрологічних характеристик, до яких відносяться висока дозволяюча здатність, мала диференціальна та інтегральна нелінійности, монотонність характеристики перетворення. Основним вузлом в цифрових вимірювальних приладах є аналого-цифровой перетворювач (АЦП), від якого в значній мірі і залежать вищеперелічені характеристики. У сучасній гідрофізичній апаратурі [2, с. 172]: зонд "Істок-7" фірми "Морський гідрофізичний інститут Н АН України", Mark III фірми "Neil Brown Instrument System" (США), Mark V фірми "EG and G" (Marine Instruments США) застосовуються АЦП з цифрово-аналоговим перетворювачем (ЦАП) в ланцюзі зворотного зв'язку. Однак реалізований в них спосіб цифрово-аналогового перетворення, заснований на перетворенні вхідного коду у ви хідний аналоговий сигнал за допомогою керованого вхідним кодом дільника, залишає незмінним основні види похибок: стиковки шкал, якщо, наприклад, Цапи стикують для збільшення розрядності, нелінійності, немонотонності [3, с. 51]. Ці ж похибки через традиційність методу визначають традиційно і похибки АЦП в цілому [4, с. 282]. Відомий спосіб цифрово-аналогового перетворення з усередненням первинних похибок, заснований на N= використанні непозиційного двійкового коду [4, с. 181]. У цьому способі позиційний код n -1 m-1 å bi × Pi i= 0 , N' = å a i i= 0 перетворюється в еквівалентний йому непозиційний код . Число одиниць в цьому коді дорівнює числу N. Для перетворення Ν' в напругу Uвих застосовують схему дільника, усі провідності якого Υ0, Υ1, ...Υn-1 рівні між собою. Якщо в коді N' міститься k одиниць, то Uвих=U0·k/n і схема виконує розподіл напруги U0 у відношенні k/n. Практично ж розподіл напруги буде здійснюватися неточно через похибки елементів дільника dYq . Для зменшення похибки вихідної напруги dUвих, зумовленої сумарною похибкою елементів дільника, код Ν', що перетворюється, вміщують в замкнене кільце регістра зсуву і послідовно зсувають так, щоб усі одиниці, які містяться в йому і нулі послідовно пройшли всі розрядні позиції і знов виявилися на своєму колишньому місці. Одночасно під час циркуляції коду N' по регістру осереднюють вихідну напругу дільника за період Тц вище вказаної циркуляції. Цей спосіб, при відсутності інших похибок дільника, забезпечує точний розподіл опорної напруги U0 ЦАП, що використовується, у відношення k/n. Вираження, що доводять справедливість останнього висловлювання, приведені в [4, с. 182]. Ця власти вість способу використовується при побудові ЦАП підвищеної точності. Приведений спосіб цифрово-аналогового перетворення так само, як і що пропонується, має загальні ознаки - періодичні зміни вхідного коду k-розрядного ЦАП і одночасне усереднення вихідного сигналу з метою зменшення похибок характеристики перетворення, викликаних похибкою елементів ЦАП. Однак використання непозиційного двійкового коду приводить до значного ускладнення при реалізації способу. Необхідно використати перетворення позиційного коду в непозиційний, що, зрештою, приводить до збільшення елементів, наприклад, об'єму регістра зсуву і кількості резисторів. Найбільш близьким до запропонованого по сукупності ознак є спосіб цифрово-аналогового перетворення, викладений в роботі [2, с. 172] і реалізований в пристрої [5]. Прототип і спосіб, що заявляється, мають отакі загальні істотні ознаки: широтно-імпульсну модуляцію частини діапазону цифрово-аналогового перетворювача, що використовується, в якому ширину приросту частини вихідного сигналу при періодичній зміні вхідного коду цифрово-аналогового перетворювача, що використовується, змінюють у часі пропорційно коду, що визначається m додатковими розрядами, що дозволяють досягнути необхідної дозволяючої здатності і усереднення вихідного сигналу. Суть способу-прототипу полягає в наступному. Піддають широтно-імпульсній модуляції найменшу частину діапазону DUЦАП, що визначається поточним кроком квантування ЦАП, що використовується таким чином, щоб ширина приросту аналогового вихідного сигналу UЦАП в проміжках між сусідніми по рівню квантами, зумовленими k розрядами ЦАП, що використовується, змінювалася у часі прямо пропорційно коду, що визначається m додатковими молодшими розрядами, що дозволяють досягнути необхідну дозволяючу здатність по всьому діапазону зміни вихідного сигналу. Сигнал з виходу ЦАП, що використовується, відповідний вхідному n-розрядному коду, формують за допомогою усереднення за час Тц , кратний інтервалу часу, в межах якого проводять широтно-імпульсну модуляцію поточного кроку квантування. Зі способу-прототипу видно, що кількість розрядів n, що виходить в процесі перетворення, рівна k+m, що свідчить про наявність стиковки діапазонів, зумовлених старшими k і молодшими m розрядами. На фіг.1 зображена ступінчаста крива, що відображає функцію цифрово-аналогового перетворення з широтно-імпульсною модуляцією поточного кроку квантування DUЦАП i за способом-прототипом, до осереднення вихідного сигналу, координати якої у тимчасовій і кодовій галузі суміщені по осі абсцис. Нехай кількість додаткових розрядів m=3, а число N, що визначається вхідним n-розрядним кодом, дорівнює 1, тоді ширина імпульсу приросту вихідного сигналу ЦАП, буде дорівнює (Тц /8)·1, а амплітуда імпульсу буде відповідати реальному поточному кроку квантування ЦАП, що використовується, в діапазоні вхідного коду від 0 до 8, тобто (DUЦАП 1). Нехай число Ν, що визначається вхідним кодом, дорівнює 10, тоді ширина імпульсу приросту вихідного сигналу ЦАП складе рівне (Tц /8)·2, тому що число із m молодших розрядів в цій точці діапазону дорівнює 2, а амплітуда імпульсу буде відповідати реальному поточному кроку квантування ЦАП, що використовується, в діапазоні зміни вхідного коду від 8 до 16, тобто (UЦАП 2), але рівень вихідного сигналу ЦАП, на фоні якого буде відбува тися широтно-імпульсна модуляція, становитиме вже 1·DUЦАП+dл, де DUЦАП - номінальне значення кроку квантування або дозволяюча здатність перетворення, а dл - нелінійність в даній точці характеристики перетворення. Нехай число Ν, що визначається вхідним кодом, дорівнює 19, тоді ширина імпульсу приросту вихідного сигналу ЦАП складе рівне (Тц /8)·3, тому що число із m молодших розрядів в цій точці діапазону дорівнює 3, а амплітуда імпульсу буде відповідати реальному поточному кроку квантування ЦАП, що використовується в діапазоні зміни вхідного коду від 16 до 24, тобто DUЦАП 3, але рівень вихідного сигналу ЦАП, на фоні якого буде відбуватися широтно-імпульсна модуляція, становитиме 2·DUЦАП+4, тому що число із k старших розрядів в цій точці діапазону дорівнює 2. З фіг.1 видно, що при подальшій зміні вхідного коду середнє значення вихідного сигналу за час Тц , що визначається циклом формування одного значення, в будь-якій точці діапазону для ідеального дільника може бути визначено з наступного вираження: Uцап = 1 Тц t i+1 é Nв х ù ìNв х ü ë î ò Uцап dt = DUцап ê 2m ú + D Uцап í 2m ý = ti û D Uцап þ 2m × Nв х (1) é Nв х ù Nв х ê mú ë 2 û ціла частина дробу, не перевершуюча 2 m ; де ìNв х ü í mý î 2 þ - остача дробу· Якщо тепер врахува ти, що вага одного молодшого розряду, що використовується, ЦАП, що використовується, пропорційна 2m молодшим розрядам коду, що перетворюється, то можна записати: Uцап = DU'·Nв х DU' = D Uцап (2) -i 2m де є вага молодшого розряду, отриманого після застосування способу-прототипу цифрово-аналогового перетворення, що свідчить про підвищення дозволяючої здатності. Нехай диференціальна нелінійність реального ЦАП, що використовується, дорівнює d'л.¶ ., тоді, згідно з вираженням (2), реальний крок квантування в будь-якій точці діапазону перетворення може бути визначений так: DUцап + d' л. ¶. DU = = D U'+ d л. ¶. (3) 2m d' d л. ¶. = л. ¶. 2m - отримана диференціальна нелінійність, а це свідчить про зменшення диференціальної де нелінійністи. Якщо при цьому виконати умову d'л.¶. /DUЦАП