Многоканальный аналого-цифровой преобразователь
MULTI-CHANNEL ANALOG-TO-DIGITAL CONVERTER

Изобретение относится к аналого-цифровой измерительной электронике, в частности к аналого-цифровым преобразователям для преобразования аналоговых сигналов в цифровой код, и может использоваться для преобразования аналоговых сигналов с датчиков физических величин в цифровой формат для дальнейшей обработки.
Известен многоканальный аналого-цифровой преобразователь, содержащий n информационных каналов, каждый из которых содержит первый и второй триггеры, первый элемент И, блок сравнения, первые входы которых объединены и соединены с выходом цифро-аналогового преобразователя (ЦАП), второй вход каждого блока сравнения является соответствующей входной шиной, генератор импульсов, одновибратор, со второго по седьмой элементы И, элемент НЕ, отличающийся тем, что в него введены в каждый информационный канал первый элемент ИЛИ, третий триггер, второй элемент ИЛИ, вычитающий счетчик, регистр, постоянное запоминающее устройство (ПЗУ), в каждом информационном канале выход блока сравнения соединен с первым входом первого элемента ИЛИ и первым входом первого триггера, второй вход которого соединен с первым выходом второго триггера и первым входом первого элемента И, а выход - с первым входом второго триггера, выход первого элемента И соединен со вторым входом второго триггера, второй выход которого подключен ко второму входу первого элемента ИЛИ, третьи входы первых триггеров всех информационных каналов объединены и подключены к выходу четвертого элемента И, вторые входы первых элементов И всех информационных каналов объединены и подключены к выходу пятого элемента И, третьи входы вторых триггеров всех информационных каналов объединены и подключены к выходу одновибратора, выходы первых триггеров всех информационных каналов образуют первые выходы устройства, выходы первых элементов ИЛИ всех информационных каналов подключены к соответствующим входам второго элемента И, вторые выходы вторых триггеров всех информационных каналов подключены к соответствующим входам третьего элемента И, первый вход третьего триггера является управляющим входом устройства, второй вход третьего триггера соединен с выходом второго элемента ИЛИ, третий вход - с первым входом пятого элемента И, выходом шестого элемента И, первым управляющим входом регистра и первым управляющим входом вычитающего счетчика, выход третьего триггера является вторым выходом устройства и соединен с входом одновибратора и управляющим входом генератора импульсов, первый выход которого соединен со вторым управляющим входом вычитающего счетчика и с первым входом четвертого элемента И, второй выход генератора импульсов соединен с первым входом шестого элемента И, второй вход которого соединен с выходом вычитающего счетчика и вторым входом четвертого элемента И, третий вход которого соединен с выходом элемента НЕ, вход которого подключен к выходу второго элемента И, первому адресному входу постоянного запоминающего устройства, вторые адресные входы которого соединены с входами седьмого элемента И, входами цифро-аналогового преобразователя и с выходами регистра, первые выхода соединены с информационными входами регистра, вторые выходы - с информационными входами вычитающего счетчика, третьи выхода являются третьими выходами устройства, четвертый выход соединен со вторым входом пятого элемента И, выход которого является четвертым выходом устройства, выход одновибратора соединен со вторым управляющим входом регистра и третьим управляющим входом вычитающего счетчика, выход седьмого элемента И соединен с первым входом второго элемента ИЛИ, второй вход которого подключен к выходу третьего элемента И [Патент России на изобретение № 2183382, МПК H03М 1/38, опубл. 10.06.2001].
Недостаток устройства заключается в необходимости использования дополнительных фильтров, снижающих точность АЦП, при преобразовании аналоговых сигналов с тактируемых датчиков или преобразователей физических величин. Второй недостаток заключается во взаимном влиянии каналов АЦП друг на друга.
Известен многоканальный аналого-цифровой преобразователь для сейсмических исследований с использованием дельта-модуляции, содержащий последовательно соединенные устройство вычитания, компаратор, преобразователь уровня, а также триггер, вход которого соединен с выходом компаратора, и генератор тактовых импульсов, выход которого подключен к тактовым входам компаратора и триггера, отличающийся тем, что он дополнительно содержит входной коммутатор каналов, устройства выборки-хранения, количество которых соответствует числу каналов, и дешифратор, причем выход коммутатора каналов соединен с одним из входов устройства вычитания, к другому входу которого подключены соединенные друг с другом информационные выходы устройств выборки-хранения, входы которых также соединенные друг с другом, подключены к выходу преобразователя уровня, выходы дешифратора соединены с управляющими входами коммутатора каналов и устройств выборки-хранения, а вход дешифратора подключен к выходу генератора тактовых импульсов, при этом выход дешифратора, соединенный с управляющим входом коммутатора каналов, и выход триггера являются выходами аналого-цифрового преобразователя, входами которого являются информационные входы коммутатора каналов [Патент России на изобретение № 2044330, МПК G01V 1/24, опубл. 20.09.1992].
Недостаток устройства заключается в погрешности преобразования АЦП, возникающей вследствие остаточного напряжения на устройстве выборки-хранения данных с предыдущих тактов преобразования. Второй недостаток устройства заключается в необходимости использования дополнительных фильтров, снижающих точность АЦП, при преобразовании аналоговых сигналов с тактируемых датчиков или преобразователей физических величин. Третий недостаток заключается во взаимном влиянии каналов АЦП друг на друга.
Наиболее близким по совокупности существенных признаков к заявляемому решению является устройство фазовой автоподстройки тактовой частоты аналого-цифровых преобразователей в многоканальных системах сбора сейсмических данных включающее тактовый генератор, связанный с тактовыми входами соединенных последовательно цифрового фильтра и дельта-модулятора аналого-цифрового преобразователя на вход дельта модулятора поступают аналоговые сейсмические сигналы, а выход аналого-цифрового преобразователя является выходом устройства в линию связи, отличающееся тем, что включает первый D-триггер, на тактовый вход которого поступает сигнал опроса из линии связи, а на информационный вход - сигнал готовности аналого-цифрового преобразователя, при этом тактовый генератор включает кварцевый генератор, вход которого связан с тактовыми входами соединенных последовательно двух счетчиков-делителей частоты, при этом информационный вход перового счетчика-делителя частоты соединен с выходом первого D-триггера, а его загрузочный вход - с выходом второго D-триггера, информационный вход которого соединен с выходом переполнения второго счетчика-делителя частоты один из разрядных выходов которого является выходом тактового генератора и связан с тактовыми входами цифрового фильтра и дельта-модулятора [Патент России на изобретение № 2207719, МПК H03М 3/02, опубл. 27.06.2003].
Недостаток устройства заключается в необходимости использования дополнительных фильтров, снижающих точность АЦП, при преобразовании аналоговых сигналов с тактируемых датчиков или преобразователей физических величин. Второй недостаток заключается во взаимном влиянии каналов АЦП друг на друга.
Технической проблемой, решаемой заявленным изобретением, является создание аналого-цифрового многоканального преобразователя высокой точности.
Технический результат, обеспечиваемый изобретением, заключается в повышении точности за счет уменьшения взаимного влияния каналов АЦП друг на друга.
Для достижения вышеуказанного технического результата многоканальный аналого-цифровой преобразователь, выполнен содержащим цифровой счетчик, тактовый вход которого, является тактовым входом устройства, преобразователи частоты, преобразователи напряжения в длительность импульсов, цифровые регистры, блок обработки и передачи данных; выходная шина цифрового счетчика, количество бит которой определяет разрядность многоканального аналого-цифрового преобразователя, соединена с первыми входами цифровых регистров и входами преобразователей частоты, которые формируют опорную частоту для преобразователей напряжения в длительность импульсов, выходы преобразователей частоты соединены с первыми входами преобразователя напряжения в длительность импульса, вторые входы преобразователей напряжения в длительность импульсов являются входами устройства для измеряемого напряжения, выходы преобразователей напряжения в длительность импульсов, формирующие сигналы для записи данных с цифрового счетчика, соединены со вторыми входами цифровых регистров, выходы которых подключены к блоку обработки и передачи данных, преобразующему параллельные коды цифровых регистров в последовательность импульсов с передачей на выход устройства, причем преобразователь напряжения в длительность импульсов выполнен на основе контура фазовой автоподстройки частоты.
На фигуре представлен многоканальный аналого-цифровой преобразователь, где:
1 - цифровой счетчик;
2 - преобразователь частоты;
3 - преобразователь напряжения в длительность импульсов;
4 - цифровой регистр;
5 - блок обработки и передачи данных.
Многоканальный аналого-цифровой преобразователь, содержит цифровой счетчик 1, тактовый вход которого, является тактовым входом устройства, преобразователи частоты 2, преобразователи напряжения в длительность импульсов 3, цифровые регистры 4, блок обработки и передачи данных 5.
Выходная шина цифрового счетчика 1, количество бит которой определяет разрядность многоканального аналого-цифрового преобразователя, соединена с первыми входами цифровых регистров 4 и входами преобразователей частоты 2, формирующими опорную частоту для преобразователей напряжения в длительность импульсов. Выходы преобразователей частоты 2 соединены с первыми входами преобразователя напряжения в длительность импульса 3, вторые входы преобразователей напряжения в длительность импульсов 3 являются входами устройства для измеряемого напряжения. Выходы преобразователей напряжения в длительность импульсов 3, формирующие сигналы для записи данных с цифрового счетчика, соединены со вторыми входами цифровых регистров 4, выходы которых подключены к блоку обработки и передачи данных 5, преобразующему параллельные коды цифровых регистров в последовательность импульсов с передачей на выход устройства. Преобразователь напряжения в длительность импульсов 3 выполнен на основе контура фазовой автоподстройки частоты.
Многоканальный аналого-цифровой преобразователь работает следующим образом: на вход цифрового счетчика 1 поступает тактовый сигнал, количество бит цифрового счетчика определяет максимальную разрядность многоканального аналого-цифрового преобразователя, выходной код цифрового счетчика поступает на первые входы цифровых регистров 4 и преобразователей частоты 2, которые преобразуют двоичный код цифрового счетчика в опорные сигналы для преобразователей напряжения в длительность импульсов 3, используя при этом сигнал старшего бита выходного кода цифрового счетчика 1. Измеряемое напряжение поступает на вторые входы преобразователей напряжения в длительность импульсов 3, которые в зависимости от уровня измеряемого напряжения формируют выходные импульсы, длительность которых эквивалентна измеряемому напряжению. Преобразователи напряжения в длительность импульсов 3 выполнены на основе контура фазовой автоподстройки частоты, отрицательная обратная связь которых способна компенсировать помехи в процессе преобразования напряжения в длительность импульсов. Выходы преобразователей напряжения в длительность импульсов 3 формируют сигналы, по задним фронтам которых происходит считывание данных с цифрового счетчика, выходы цифровых регистров 4 подключены к блоку обработки и передачи данных 5, который преобразует параллельные коды цифровых регистров в последовательность импульсов передающиеся на выход устройства. Интерфейс блока обработки и передачи данных зависит от последующих устройств, подключенных к многоканальному аналого-цифровому преобразователю.
Согласно проведенным экспериментам, использование данной реализации многоканального аналого-цифрового преобразователя в интегральном исполнении позволит сократить влияние соседних каналов АЦП до минус 87 дБ и повысить точность преобразования до 0,001%.