ДВУХСТУПЕНЧАТЫЙ АЦП С КОРРЕКЦИЕЙ ПОГРЕШНОСТЕЙ

Изобретение относится к информационно-измерительной технике и системам управления и может быть использовано в устройствах преобразования изменяющихся во времени сигналов в код, в системах сбора и обработки информации от преобразователей физических параметров в напряжение.
Известен аналого-цифровой преобразователь (АЦП), содержащий основной АЦП, узкодиапазонный АЦП, блоки суммирования, сравнения, умножения, коммутации и функционального преобразования [1]. Недостатком данного АЦП является то, что высокая точность измерений обеспечивается при уровнях, входящих в пределы узкодиапазонного АЦП, а в случае выхода уровня сигнала за эти пределы погрешности определяются погрешностями основного АЦП. В данном устройстве примененяются АЦП с преобразованием напряжение - частота, которые для получения высокой точности преобразования требуют достаточно большого времени усреднения.
Известен АЦП с двухэтапным преобразованием, содержащий схему сравнения, цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП), регистр, постоянное запоминающее устройство, АЦП считывания, генератор импульсов, счетчик и триггер [2]. Недостатком данного АЦП является то, что разрядность выходного кода полностью определяется разрядностью ЦАП, и для интегральных ЦАП обычно не превышает 12 - 14 двоичных разрядов. Увеличение разрядности данного АЦП возможно только при применении прецизионных ЦАП, которые обладают большим временем установления выходного сигнала, что снижает общее быстродействие всего АЦП.
Известен параллельно-последовательный АЦП, содержащий вычитающий усилитель, к суммирующему входу которого, и к входу параллельного АЦП 1 подведен преобразуемый сигнал. Цифровые выходы АЦП 1 подключены к входам цифро-аналогового преобразователя (ЦАП) и к входам старших разрядов сумматора. Вход ЦАП подключен к вычитающему входу вычитающего усилителя, выход которого соединен с аналоговым входом второго АЦП 2, а цифровые выходы АЦП 2 соединены с входами младших разрядов сумматора, на выходы которого выводится результат преобразования. Усиление вычитающего усилителя устанавливается таким, чтобы на весь диапазон преобразования АЦП 2 приходилось 2-4 единицы младшего значащего разряда (МЗР) ЦАП ([3] стр. 78, рис. 3.6). Недостатком данного устройства является то, что основные погрешности задаются погрешностями ЦАП, которые при пересчете на масштаб преобразования АЦП 2, при допустимой дифференциальной нелинейности ЦАП в 0,5 МЗР могут приводить к погрешностям в десятки процентов от диапазона АЦП 2. Применяются методы коррекции указанных погрешностей введением дополнительных блоков, включая дополнительный ЦАП, оперативную память, блок вычисления поправок ([3] стр. 80, рис. 3.7). Наиболее близким к предлагаемому устройству является вариант с применением микро-ЭВМ ([3] стр. 81, рис. 3.8), включающий два АЦП, ЦАП, ОЗУ, мультиплексоры,
аналоговое запоминающее устройство и сумматоры. К недостаткам относится то, что, значительный объем аппаратной части предназначен для коррекции погрешностей ЦАП и для хранения поправок используется отдельное ОЗУ. Кроме того, применяется достаточно сложный алгоритм вычисления поправок и не учитывается конечное время установления сигнала на выходе вычитающего усилителя после изменения кода на входах ЦАП.
Целью изобретения является получение высокой точности преобразования при приближении времени преобразования предлагаемого устройства к величине времени преобразования основного АЦП.
Поставленная цель достигается тем, что в АЦП, содержащем первый коммутатор аналоговых сигналов, на первый вход которого подается преобразуемый сигнал, а выход подключен к суммирующему входу усилителя - вычитателя, вычитающий вход которого соединен с выходом ЦАП, основной АЦП выходами данных подключенный к шине ввода микроЭВМ, ЦАП выполнен по принципу широтно-импульсной модуляции и обладает монотонной характеристикой преобразования с высокой линейностью, а в память микро-ЭВМ при калибровке устройства записываются статические и динамические поправки, и учитываются при выполнении измерений.
На фиг.1 приведена структурная схема АЦП, который состоит из первого коммутатора аналоговых сигналов 1, на первый вход которого подведен входной сигнал, а второй вход соединен с общим проводом (сигнальной землей) и предназначен для выполнения калибровок. Выход первого коммутатора аналоговых сигналов 1 соединен с суммирующим входом вычитающего усилителя 2 выход, которого подключен к сигнальному входу аналогового запоминающего устройства (АЗУ) 3, предназначенного для хранения уровня сигнала на время преобразования. Выход АЗУ подключен к сигнальному входу основного аналого-цифрового преобразователя 4. Стробирующий вход АЗУ 3 и вход запуска АЦП 4 соединены с выходом одновибратора 5, импульс которого своим потенциалом фиксирует на выходе АЗУ 3 уровень напряжения, поступающий с вычитающего усилителя 2, а задний фронт импульса запускает АЦП 4 на преобразование. Выход готовности данных АЦП 4 соединен с входом контроля готовности (CL) блока управления 6, а выходы цифровых данных АЦП 4 подключены к шине ввода данных (DI) блока управления 6, который по сигналу готовности данных АЦП 4 их считывает. Цифро-аналоговый преобразователь 7, включает первый и второй каналы универсального программируемого таймера 8, в качестве которого может применяться таймер К580ВИ53 (i8253), тактовый генератор 9 с кварцевой стабилизацией частоты, D-триггер 10, второй коммутатор аналоговых сигналов 11, инвертор аналогового сигнала 12 и фильтр нижних частот (ФНЧ) 13. Нумерация каналов таймера 8, принятая в данном описании относительна в силу идентичности структуры и режимов работы каналов таймера.
Шина данных, входы адреса и вход записи таймера 8 подключены соответственно к порту вывода данных (DO), выходам адреса (Adr) и выходу записи (WR) блока управления 6, а на первый и третий входы разрешения (G1, G3) таймера 8 подведен уровень логической единицы. Первый выход (Q1) таймера 8 подключен к его второму входу разрешения (G2), второй выход (Q2) соединен с D входом D-триггера 10, а тактовые входы таймера (CLK) и D-триггера подключены к выходу тактового генератора 9.
Выход источника опорного напряжения 15 соединен с входом внешнего источника опорного напряжения АЦП 4, первым входом второго коммутатора аналоговых сигналов 11 и входом инвертора аналогового сигнала 12, выход которого подключен ко второму входу второго коммутатора аналоговых сигналов 11. Управляющий вход первого коммутатора аналоговых сигналов 1 подключен к выходу управления калибровкой (CL) блока управления 6. Элемент регулировки усиления R-подстроечный резистор, подключенный к вычитающему усилителю 2, предназначен для установки коэффициента усиления данного усилителя определяющего масштаб младшего значащего разряда (МЭР) ЦАП 7, выраженный в МЗР АЦП 4.
Шины внешнего интерфейса блока управления 6 подключены к управляющей микро-ЭВМ 15, выполняющей функции общего управления режимами работы устройства и сбора и обработки данных.
Устройство расчитано на применение элементной базы отечественного производства. В качестве коммутаторов аналоговых сигналов можно рекомендовать интегральные коммутаторы серии К590, вычитающий усилитель выполняется на операционном усилителе, основной АЦП -К1108ПВ2, аналоговое запоминающее устройство либо выполняется на операционном усилителе с электронными ключами или применяется интегральная схема выборки-хранения серии КР1100. Тактовый генератор 9, блок управления 6 и D-триггер 10 выполняются на интегральных микросхемах ТТЛШ- логики серий К555 или К 1533 или их аналогах.
В таблице 1 представлены обозначения сигналов и переменных, используемых в описании устройства, в таблице 2 - обозначения команд и операций, а в таблице 3 - возникающие в процессе работы устройства условия.
L
L
L
С
C
C
ЦАП 7 работает следующим образом: Микро-ЭВМ 15 через блок управления производит установку исходных режимов и коэффициентов деления каналов таймера 8 [3] и их изменения в процессе работы устройства. Первый и третий каналы таймера 8 программируются в режим деления частоты, а второй канал - в режим ждущего мультивибратора. Коэффициент деления первого канала определяет максимальное число уровней на выходе ЦАП и обычно задается как 2, где L - число двоичных разрядов ЦАП. Коэффициент деления второго канала задается в пределах 0<N<2. На выходе Q2 таймера формируется импульсная последовательность с периодом t=2t, где t - период импульсов на выходе тактового генератора 9, и длительностью уровня логического нуля Nt. Полученная
C
REF
REF
последовательность поступает на D вход триггера 10, синхронизируемого фронтами импульсов периода t с выхода тактового генератора 9. При этом выполняется жесткая привязка фронтов и спадов входной последовательности к тактовым импульсам, чем обеспечивается малая погрешность скважности импульсной последовательности, поступающей с выхода триггера 10 на управляющий вход второго коммутатора аналоговых сигналов 11. Напряжение U от источника опорного напряжения 14 подается на первый вход коммутатора 11, и после инверсии на инверторе аналогового сигнала 12, напряжение -U подается на второй вход коммутатора 11. Применение инвертора аналогового сигнала обеспечивает двухполярное цифро-аналоговое преобразование.
REF
REF
DAC
REF
L
На выходе второго коммутатора аналоговых сигналов 11 формируются двухполярные импульсы с размахом от -U до +U. Постоянная составляющая этой импульсной последовательности составляет U=(2N/2-1)U+Δ, где Δ - постоянная систематическая погрешность, связанная с конечным временем переключения коммутатора 11, не зависящая от значения N и учитываемая при калибровке смещения нуля. Кварцевая стабилизации частоты тактовых импульсов обеспечивает высокую линейность зависимости постоянной составляющей от N. Выделение постоянной составляющей выполняет ФНЧ 13, в качестве которого может применяться активный фильтр на операционных усилителях.
Напряжение с выхода ЦАП 7 вычитается из сигнала, поступающего на вычитающий усилитель 2 с первого коммутатора аналоговых сигналов 1, и усиливается этим усилителем с заданным коэффициентом, учитывающим как масштабы преобразования ЦАП и АЦП, так и отличие от единицы коэффициента передачи ФНЧ 13.
Применение единого источника опорного напряжения 14 для ЦАП и АЦП обеспечивает стабильность их относительных масштабов преобразования.
Период выборок Т задается установкой заданного коэффициента деления третьего канала таймера 8.
C
С
Общий порядок работы устройства включает калибровку смещения нуля, калибровку динамических поправок для требуемого режима измерений и выполнение измерений с заданным периодом выборок. Блок - схема последовательности выполнения указанных процедур приведена на фиг.2. Для выполнения калибровок микро-ЭВМ через блок управления сигналом CL переключает первый коммутатор в положение соединения суммирующего входа вычитающего усилителя с сигнальной землей, что позволяет, выполнив уравновешивание ЦАП и преобразование АЦП, получить коды калибровок смещения нуля N для ЦАП и М для АЦП.
Далее при периоде выборок, равном периоду предстоящих измерений производится считывание результатов прееобразования после изменения кода ЦАП на единицу до установления переходных процессов и запись полученного массива динамических поправок, а также расчитывается масштаб МЭР ЦАП относительно АЦП.
Перед выполнением измерений микро-ЭВМ через блок управления сигналом CL переключает первый коммутатор в положение соединения суммирующего входа вычитающего усилителя с входом преобразуемого сигнала, после чего выполняется процедура поразрядного уравновешивания ЦАП и выполняется переход к процедуре периодического преобразования входного сигнала в код.
f
f
Как при калибровке смещения нуля, так и перед выполнением сеанса измерений выполняется процедура уравновешивания старших разрядов, определяемых кодом ЦАП 7 N. Блок-схема алгоритма уравновешивания старших разрядов методом последовательных приближений представлена на фиг.3. Период выборок Т устанавливается достаточно большим - T≈10τ (τ - постоянная времени ФНЧ), так, чтобы за этот период заканчивались все переходные процессы в фильтре нижних частот. С периодом Т производится запуск одновибратора 5 с выхода Q3 таймера 8.
C
С
При выполнении процедуры поразрядного уравновешивания (фиг.3) микроЭВМ выполняет поразрядную установку в единицу каждого бита числа N, вводимого во второй канал таймера, начиная со старшего разряда N, запуск АЦП 4 и анализ результата полученного преобразования. В случае положительного знака результата происходит сохранение единичного значения данного бита числа N, а при отрицательном знаке - сброс данного бита в нуль. Далее операция повторяется для меньшего по весу бита числа N до самого младшего. Полученные в итоге значения кодов ЦАП 7 и АЦП 4 -N и М записываются в память микро-ЭВМ как коды калибровки смещения нуля.
V
f
V
f
f
c
p
Для заданного периода выборок Т в режиме измерений производится определение динамических поправок, так как ФНЧ имеет вполне определенное время переходных процессов τ, которое может превышать Т, то после каждого изменения N некоторое количество значений выборок будет отличаться от фактических значений из-за переходных процессов в ФНЧ 13. На фиг.4 показаны графики уровней напряжений при увеличении кода N на единицу (фиг.4а). Время установления переходных процессов τ на выходе вычитающего усилителя (фиг.4в) в основном определяется переходными процессами на выходе ФНЧ (фиг.4б). Как видно из фиг.4, в течение времени несколько большего, чем τ, полученные значения отсчетов АЦП будут не соответствовать реальному сигналу (в данном случае уровню нуля), а разность между идеальной характеристикой и фактическими значениями представляют динамические погрешности. Разность между показаниями АЦП до изменения N и после изменения N на единицу по окончании переходных процессов представляет масштаб МЗР ЦАП относительно шкалы основного АЦП. W=M-M
V
c
Алгоритм определения динамических поправок приведен на фиг.5. Для снятия значений динамических поправок устанавливается период выборок соответствующий режиму предстоящих измерений Т=Т, а на ЦАП выводится код N=N. Индекс i обнуляется и в дальнейшем используется как номер очередной поправки. Далее значение N увеличивается на единицу и в
i
i
0
р
c
p
цикле снимается последовательность показаний М с АЦП 4 до тех пор, пока не установятся стационарные показания АЦП 4, то есть до окончания переходных процессов ФНЧ 13. Полученное максимальное значение i=p фиксируется в микро-ЭВМ как длина массива динамических поправок, а величины M от М до М временно сохраняются в памяти микро-ЭВМ 15. При этом вычисляется величина единицы младшего значащего разряда ЦАП 7 W=M-M, выраженная в масштабе преобразования АЦП 4, и сохраняется памяти микро-ЭВМ. Выполняется пересчет динамических поправок по формуле
i
i
Xi=M-W=0...p
и осуществляется их сохранение в памяти микро-ЭВМ.
V
hi
lo
При переходе в режим измерений микро-ЭВМ переводит первый коммутатор аналоговых сигналов 1 в положение подключения источника сигнала к суммирующему входу вычитающего усилителя 2. Так как значение сигнала может отличаться от нулевого, то предварительно при периоде выборок превышающем время установления переходных процессов выполняется уравновешивание старших разрядов (фиг.3), после чего задается требуемый для измерений период выборок Т=Т и выполняются операции по измерениям. При этом отслеживаются значения показаний АЦП 4, и при приближении их значений к верхнему М или нижнему M пределу преобразования АЦП 4 микро-ЭВМ производит увеличение или уменьшение значения N на единицу, то есть выполняется следящий режим преобразования для старших разрядов, при этом включается операция учета динамических поправок.
hi
lo
Алгоритм процедуры измерений с учетом всех поправок представлен на фиг.6. Величины М и M устанавливаются внутри диапазона преобразования основного АЦП 4, и в зависимости от характера изменений преобразуемого сигнала могут отстоять от границ диапазона АЦП 4 на 15-30% от величины его полной шкалы. Перед выполнением цикла измерений сбрасывается в нуль индекс очередной выборки k, а индексу номера динамических поправок присваивается значение длины массива поправок i=p. В цикле проверяется готовность данных АЦП и в случае их готовности выполняется считывание и проверка текущего значения индекса поправок i. Если i=p, то коэффициент поправок S устанавливается в нуль, вычисляется очередное значение результата преобразования
k
k
c
c
Y=M-M+W(N-N)
k
k
hi
k
k
c
c
lo
Y записывается в память микро-ЭВМ. Если значение показаний АЦП 4 M приближается к верхней М (нижней М Y=M-M+W*(N-N)) границе диапазона преобразования АЦП, то выполняется увеличение (уменьшение) на единицу кода N ЦАП и установка коэффициента поправок S в 1(-1).
Выполняется проверка условия завершения, определяемого программой измерений, и если оно не выполняется, то увеличивается индекс очередной выборки k и программа возвращается к проверке готовности АЦП. После считывания данных с АЦП 4 если i<p, то вычисляется очередное значение результата преобразования с учетом динамических поправок.
k
k
c
c
Y=M-M+W(N-N)+SX,
k
Y записывается в память микро-ЭВМ, индекс i увеличивается на единицу и проверяются условия завершения измерений. При его выполнении микро-ЭВМ завершает управление устройством и ввод результатов преобразования. Условия завершения зависят от конкретной задачи и могут определяться количеством выборок за сеанс, или длительностью сеанса, или прерыванием программы со стороны оператора.
Предложенное устройство, в отличие от одного из его прототипов [1], сохраняет высокую точность преобразования во всем диапазоне допустимых значений входных сигналов, а выполнение калибровок смещения нуля и динамических поправок позволяет применять на первой ступени преобразования простой широтно-импульсный ЦАП с высокой линейностью, что позволяет исключить из устройства узлы коррекции нелинейности ЦАП, присутствующие в прототипах [2, 3].
1. Патент РФ №2168269, кл. Н 03 М 1/10 27.05.2001
2. Патент РФ №2204884, кл. Н 03 М 1/26 20.05.2003
3. Аналого-цифровые периферийные устройства микропроцессорных систем / Р.И.Грушвицкий, А.X.Мурсаев, В.Б.Смолов. - Л.: Энергоатомиздат. Ленингр. отделение, 1989. - 160с. ил.
4. Микропроцессоры и микропроцессорные комплекты интегральных микросхем: Справочник. В 2 т. / под ред. В.А.Шахнова. - М.: Радио и связь, 1988. - Т. 1. - С.76-82