Двухканальный аналого-цифровой преобразователь
TWO-CHANNEL ANALOGUE-TO-DIGITAL CONVERTER

Изобретение относится к измерительной технике и электронной технике и может использоваться для преобразования нескольких аналоговых сигналов в цифровые, что применятся в различных отраслях промышленности и в научных исследованиях.
Точное преобразование аналоговых сигналов в цифровые требуется во всех отраслях техники: для измерения, для автоматического или автоматизированного управления и для систем автоматизированного сбора данных и мониторинга. Эти задачи решаются с помощью аналого-цифровых преобразователей (АЦП). Входными сигналами таких АЦП являются аналоговые электрические сигналы в виде напряжений, изменяющихся во времени относительно медленно. Выходными сигналами АЦП являются цифровые двоичные коды, соответствующие результатам измерения входных сигналов. Эти коды формируются в виде последовательности импульсов с уровнями нулей и единиц (последовательные коды) либо в виде параллельного ряда уровней, соответствующих нулям или единицам, выдаваемых на соответствующие шины. Поскольку АЦП зачастую представляют собой относительно сложное устройство, при необходимости преобразовывать одновременно несколько медленно изменяющихся сигналов часто используют схему АЦП с коммутацией. В этом случае ко входу АЦП поочередно с помощью ключей подключаются различные сигналы, АЦП осуществляет их преобразование, полученные коды трактуются как результат преобразования того сигнала, который был подключен ко входу АЦП для получения этих кодов. При этом эффективное быстродействие АЦП делится на количество подключаемых к нему каналов. Принцип действия АЦП можно рассмотреть на примере двухканального АЦП, этот принцип легко может быть распространен на большее число каналов.
Известен двухканальный аналого-цифровой преобразователь, содержащий последовательно включенные ключ, устройство выборки-хранения, одноканальный АЦП, мультиплексор, два регистра на его выходах и формирователь импульсов коммутации, один выход которого соединен с управляющими входами ключа и мультиплексора, другой выход которого соединен с управляющим входом устройства выборки-хранения, при этом входами этого двухканального аналого-цифрового преобразователя являются входы каналов ключа, его выходами являются выходы регистров [В.А. Жмудь. О применении АЦП с сигма-дельта модуляцией в режиме коммутации. Автоматика и программная инженерия. 2016. №3(17). С. 16-24. с. 17. Рис. 2, http://jurnal.nips.ru/sites/default/files/%D0%90%D0%90%D0%98%D0%9F%D0%98-3-2016-2.pdf].
Этот двухканальный аналого-цифровой преобразователь работает следующим образом.
Формирователь импульсов коммутации формирует импульсы, которые управляют ключом и мультиплексором. Как правило, для преобразования каждого сигнала выделяется одинаковое время. Например, выходной сигнал формирователя замыкает первый канал в ключе и в мультиплексоре при низком уровне своего выходного сигнала и замыкает второй канал в ключе и мультиплексоре при высоком уровне этого выходного сигнала. Например, в исходном состоянии выходной сигнал формирователя низкий. Сигнал от первого входа ключа поступает через ключ на устройство выборки-хранения (УВХ), далее на одноканальный АЦП и преобразуется в цифровой код. Этот цифровой код через мультиплексор поступает в первый регистр. По окончании времени, отпущенного на преобразование, выходной сигнал формирователя становится сигналом высокого уровня, ключ и мультиплексор замыкают свои вторые каналы. Поэтому на АЦП через ключ и УВХ поступает сигнал от второго входа ключа, а результат преобразования поступает на второй регистр через мультиплексор. Для успешной работы УВХ необходимы также импульсы, управляющие его режимами, которые также формирует формирователь импульсов.
Недостаток такого многоканального аналого-цифрового преобразователя состоит в большой погрешности. Устройство выборки-хранения в этом устройстве каждый раз после переключения ключа начинает новый переходный процесс от своего текущего состояния, равного последнему значению величины предыдущего сигнала к требуемому состоянию, равному начальной величине последующего сигнала. Это порождает большую динамическую ошибку, величина которой зависит от разности последовательно измеряемых величин. Большая динамическая ошибка порождает также статическую ошибку и перекрестную помеху, то есть влияние сигнала каждого канала на результат измерения сигналов в других каналах.
Известен другой двухканальный аналого-цифровой преобразователь, принятый за прототип, содержащий ключ, одноканальный АЦП, мультиплексор с двумя регистрами на своих выходах, а также формирователь импульсов коммутации, выход которого соединен с управляющими входами ключей и мультиплексора, при этом входами этого двухканального аналого-цифрового преобразователя являются входы каналов ключа, его выходами являются выходы регистров, выход одноканального АЦП соединен с входом мультиплексора [В.А. Жмудь. О применении АЦП с сигма-дельта модуляцией в режиме коммутации. Автоматика и программная инженерия. 2016. №3 (17). С. 16-24. с. 19. Рис. 4, http://jurnal.nips.ru/sites/default/files/%D0%90%D0%98%D0%9F%D0%98-3-2016-2.pdf].
Этот двухканальный аналого-цифровой преобразователь работает следующим образом.
В качестве одноканального АЦП применяется АЦП, реагирующий на среднее значение за время его преобразования, например, АЦП с сигма-дельта модуляцией. Принцип действия таких АЦП не исключает того, что преобразуемый сигнал изменяется во время его преобразования, поскольку преобразуется в итоге среднее значение сигнала за время его преобразования. Такие АЦП не требуют высокочастотной фильтрации входного сигнала и не требуют использования УВХ на своем входе. В остальном работа этого многоканального АЦП аналогична работе описанного выше многоканального АЦП. Импульс с выхода формирователя последовательно принимает значение высокого и низкого уровня. При одном значении этого сигнала ключ и мультиплексор открывают свои первые каналы. Поэтому одноканальный АЦП подключается к первому входу ключа, преобразует сигнал на этом входе, а результат через мультиплексор поступает в первый регистр. При другом значении управляющего сигнала ключ и мультиплексор открывают свои вторые каналы, поэтому одноканальный АЦП подключается к второму входу ключа, преобразует сигнал на этом входе, и результат через мультиплексор поступает во второй регистр. Далее цикл повторяется.
Недостаток такого двухканального аналого-цифрового преобразователя состоит в большой погрешности. Одноканальный АЦП в этом устройстве каждый раз после переключения ключа начинает новый переходный процесс от своего текущего состояния, равного последнему значению величины предыдущего сигнала к требуемому состоянию, равному начальной величине последующего сигнала. Это порождает большую динамическую ошибку, величина которой зависит от разности последовательно измеряемых величин. Большая динамическая ошибка порождает также статическую ошибку и перекрестную помеху, то есть влияние сигнала каждого канала на результат измерения сигналов в других каналах.
Задачей (техническим результатом) предлагаемого изобретения является снижение погрешности.
Поставленная задача решается тем, что в двухканальный аналого-цифровой преобразователь введен формирователь коротких импульсов и дополнительный ключ, включенный между выходом первого ключа и входом одноканального АЦП, при этом второй вход дополнительного ключа закорочен, а управляющий вход этого дополнительного ключа соединен с выходом формирователя импульсов коммутации, вход которого подключен к выходу формирователя коротких импульсов.
Предлагаемый многоканальный АЦП приведен на Фиг. 1.
Возможная схема формирователя коротких импульсов показана на Фиг. 2.
Предлагаемый многоканальный АЦП (Фиг. 1) содержит:
1 - ключ,
2 - одноканальный АЦП,
3 - мультиплексор,
4, 5 - регистры,
6 - формирователь импульсов коммутации,
7 - дополнительный ключ,
8 - формирователь коротких импульсов.
При этом второй вход дополнительного ключа закорочен, а управляющий вход этого ключа соединен с выходом формирователя импульсов коммутации, вход которого подключен к выходу формирователя коротких импульсов.
Схема формирователя коротких импульсов, например, может содержать (Фиг. 2):
9 - схему «Исключающее ИЛИ»
10 - резистор,
11 - конденсатор.
При этом первый вход схемы «Исключащее ИЛИ» является входом этого формирователя, выход этой схемы является выходом этого формирователя, выводы резистора соединены по-отдельности с первым и вторым входами этой схемы, выводы конденсатора соединены по-отдельности с нулевой шиной и вторым входом этой схемы.
При этом одноканальный АЦП выполнен, например, как АЦП с сигма-дельта модуляцией, например, микросхема AD7714 [http://www.analog.com/media/en/technical-documentation/data-sheets/AD7714.pdf].
Оба ключа и мультиплексор могут быть выполнены на микросхемах, например, фирмы Analog Devices [http://www. analog.com/ru/products/switches-multiplexers/analog-switches-multiplexers.html].
Регистры могут быть выполнены на соответствующих микросхемах, отечественных (любой серии, например, 555) или зарубежных [см., например: Нефедов А.В, Савченко A.M., Феоктистов Ю.Ф. / Под ред. Широкова Ю.Ф. Раздел 3. Цифровые интегральные микросхемы и их электрические параметры // Зарубежные интегральные микросхемы для промышленной электронной аппаратуры: Справочник. - М.: Энергоатомиздат, 1989. - 288 с. - ISBN 5-283-01540-8].
Формирователь импульсов коммутации может быть выполнен на микросхемах (генератор, мультивибратор), например, на микросхеме К555ГГ1.
Формирователь коротких импульсов может быть выполнен на микросхемах (мультивибратор в ждущем режиме), или на таймере, например, К1006ВИ1.
Резистор может быть, например, типа МЛТ-0,25-100 Ом, конденсатор может быть, например, КМ-5-1 нФ.
Предлагаемый двухканальный аналого-цифровой преобразователь работает следующим образом.
В качестве одноканального АЦП 2 применяется АЦП, реагирующий на среднее значение за время его преобразования, например АЦП с сигма-дельта модуляцией. Выходной сигнал формирователя импульсов коммутации 6 последовательно принимает значения высокого и низкого уровней. Этот сигнал поступает на управляющие входы ключа 1 и мультиплексора 3 и управляет включением в них первого или второго каналов. При одном значении этого сигнала, например низком, ключ 1 и мультиплексор 3 открывают свои первые каналы. Поэтому АЦП 2 подключается с помощью ключа 1 к его первому входу, преобразует сигнал на нем, а результат через мультиплексор 3 поступает в первый регистр 4. При другом значении управляющего сигнала, например, высоком, ключ 1 и мультиплексор 3 открывают свои вторые каналы, поэтому АЦП 2 подключается через ключ 1 к его второму входу и преобразует сигнал на нем, а результат через мультиплексор 3 передается во второй регистр 5. Далее цикл повторяется. При этом каждый раз при изменении сигнала на выходе формирователя импульсов коммутации 6 формирователь коротких импульсов 8 формирует короткий импульс, который поступает на управляющий вход дополнительного ключа 7. Под управлением этого импульса ключ запирает свой первый канал и открывает второй канал, вход которого закорочен, то есть он соединен с нулевой шиной устройства. Поэтому каждый раз на вход одноканального АЦП 2 поступает сначала нулевой уровень от закороченного входа дополнительного ключа 7, и лишь потом через малый промежуток времени, соответствующий длительности импульса от формирователя коротких импульсов 8, на вход этого одноканального АЦП поступает с выхода ключа 1 тот сигнал, который следует преобразовать. Поэтому каждый раз в начале цикла работы вход одноканального АЦП 2 оказывается закороченным, а потом подключенным к соответствующему входу многоканального АЦП. Поэтому условия работы для каждого канала идентичны и не зависят от значения уровня сигнала, измеряемого в предыдущем цикле. По этой причине устраняется начальное смещение и перекрестное влияние каналов, и, как следствие, снижается погрешность.
Таким образом, предлагаемое изобретение решает задачу снижения погрешности.