Аналого-цифровой преобразователь
ANALOGUE-TO-DIGITAL CONVERTER

Изобретение относится к аналого-цифровой измерительной электронике, в частности к аналого-цифровым преобразователям с промежуточным преобразованием напряжения в длительности импульсов.
Известен аналого-цифровой преобразователь, состоящий из последовательно соединенных источника аналогового сигнала, широтно-импульсного модулятора (ШИМ), первой схемы совпадений, первого цифрового счетчика импульсов, первого регистра сдвига, а также из генератора импульсов, подключенного ко второму входу модулятора ШИМ, мультивибратора, подключенного ко второму входу первой схемы совпадений, и генератора тактовых импульсов, подключенного ко второму входу первого регистра сдвига, первого дифференциатора, подключенного входом к выходу модулятора ШИМ, а выходом - к входу разрешения считывания регистра сдвига, и блока задержки, подключенного между выходом дифференциатора и входом сброса счетчика в нуль, отличающийся тем, что в него введены дополнительно вторая и третья схемы совпадений, два цифровых инвертора, делитель частоты в 2 раза, три дифференциатора, две схемы 2И-НЕ, цифровой последовательный сумматор, причем генератор импульсов подключен ко второму входу модулятора ШИМ через последовательно соединенные первый блок задержки по времени, делитель частоты в 2 раза, вторая схема совпадений подключена между первой схемой совпадений и первым цифровым счетчиком, а выход первого регистра сдвига подключен к одному входу цифрового сумматора непосредственно, ко второму входу которого подключен выход первой схемы совпадений через последовательно включенные третью схему совпадений, второй цифровой счетчик, второй регистр сдвига, к тактовому входу которого подключен выход генератора тактовых импульсов, вход делителя частоты в 2 раза подключен непосредственно ко второму входу второй схемы совпадений и через первый цифровой инвертор ко второму входу третьей схемы совпадений; выход генератора импульсов ШИМ подключен к входу сброса в нуль первого счетчика через первый дифференциатор и второго счетчика - через второй цифровой инвертор и второй дифференциатор; первая схема 2И-НЕ своим выходом подключена ко входу разрешения на запись первого регистра сдвига, на один вход которой поступает напряжение питания 5В, а другой ее вход соединен с выходом первого цифрового инвертора через третий дифференциатор; вторая схема 2И-НЕ своим выходом подключена ко входу разрешения на запись второго регистра сдвига, на один вход которой поступает напряжение питания 5В, а другой ее вход соединен со входом делителя частоты в 2 раза через четвертый дифференциатор; входы разрешения на преобразование параллельного кода в последовательный обоих регистров сдвига соединены с выходом первого цифрового инвертора [Патент России на полезную модель №91489, МПК H03М 1/00, опубл. 10.02.2010. Бюл.№4].
Недостаток указанного аналого-цифрового преобразователя заключается во влиянии погрешностей номиналов пассивных элементов схемы, входящих в состав широтно-импульсного модулятора, на точность преобразования аналогового сигнала.
Известно 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, выход которого связан с таковым входом второго D-триггер и тактовыми входами соединенных последовательно двух счетчиков-делителей частоты, при этом информационный вход первого 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 Бюл. № 18].
Недостаток устройства заключается во влиянии погрешностей номиналов пассивных элементов схемы дельта-модулятора на точность преобразования устройства.
Наиболее близким по совокупности существенных признаков к заявляемому решению является преобразователь напряжения в частоту, содержащий интегратор, первый вход которого является входной шиной, второй и третий входы подключены соответственно к выходах первого и второго ключей, а выход соединен с входами первого и второго пороговых устройств, выходы которых соединены соответственно с информационными входами первого и второго D-триггеров, счетные входы которых объединены и соединены с выходом тактового генератора, а выходы являются выходными шинами и подключены к управляющим входам соответственно второго и первого ключей, информационные входы которых соединены с шинами опорных напряжений соответственно отрицательной и положительной полярностей, отличающийся тем, что с целью повышения стабильности преобразования в широком диапазоне температур, в него введены первые и второй инверторы, источник опорного напряжения и термокомпенсирующая цепь, выполненная на параллельном соединении терморезистора и резистивного шунта, первый вывод которого подключён к выходу источника опорного напряжения, а второй вывод к входу первого инвертора, выход которого соединен непосредственно с шиной опорного напряжения положительной полярности и через второй инвертор с шиной опорного напряжения отрицательной полярности [Патент России на изобретение № 2009613, МПК H03М 1/60].
Первый недостаток данного преобразователя заключается в возникновении колебательного процесса на интеграторе при изменении напряжения входного сигнала. Второй недостаток схемы заключается в отсутствие цифровой части схемы, необходимой для получения цифрового кода, эквивалентного входному аналоговому напряжению. Третий недостаток схемы заключается во влиянии погрешностей номиналов пассивных элементов на точность преобразования аналогового напряжения в цифровой вид.
Технической проблемой, решаемой заявленным изобретением, является создание аналого-цифрового преобразователя, способного компенсировать отклонение номиналов пассивных компонентов (резисторов, конденсаторов, индуктивностей), входящих в состав аналого-цифрового преобразователя.
Технический результат, обеспечиваемый изобретением, заключается в повышении точности преобразования аналогового сигнала, за счет компенсации отклонений номиналов пассивных компонентов схемы, а также возможностью компенсации нелинейности выходных характеристик блоков, входящих в состав аналого-цифрового преобразователя.
Для достижения вышеуказанного технического результата аналого-цифровой преобразователь выполнен содержащим цифровой синхронный счетчик, цифровой параллельный регистр, частотно-фазовый детектор, фильтр нижних частот, генератор, управляемый напряжением, цифровой делитель частоты, причем вход цифрового синхронного счетчика, являющийся первым входом устройства, предназначен для приема тактового сигнала, выход цифрового синхронного счетчика подключен к первому входу частотно-фазового детектора, выходная шина данных цифрового синхронного счетчика подключена к первому входу цифрового параллельного регистра, выход частотно-фазового детектора подключен ко второму входу цифрового параллельного регистра и к первому входу фильтра нижних частот, второй вход фильтра нижних частот, являющийся вторым входом устройства, предназначен для приема измеряемого напряжения, выход фильтра нижних частот подключен к входу генератора, управляемого напряжением, выход которого подключен к входу цифрового делителя частоты, выход цифрового делителя частоты подключен ко второму входу частотно-фазового детектора, выход цифрового параллельного регистра выполнен в виде выходной шины, фильтр нижних частот выполнен на основе пропорционально-интегрирующего звена с двумя резистивными блоками.
В частном случае выполнения аналого-цифрового преобразователя фильтр нижних частот содержит два резистивных блока, два конденсатора и операционный усилитель, первый вход фильтра нижних частот является входом первого резистивного блока, первый выход первого резистивного блока подключен к инвертирующему входу операционного усилителя, второй выход первого резистивного блока подключен к первому конденсатору, выход которого соединен с выходом операционного усилителя, образуя выход фильтра нижних частот, второй вход фильтра нижних частот является входом второго резистивного блока для приема измеряемого сигнала, первый выход второго резистивного блока подключен к неинвертирующему входу операционного усилителя, второй выход второго резистивного блока подключен к входу второго конденсатора, выход которого подключен к точке нулевого потенциала схемы.
Изобретение поясняется следующими материалами:
Фиг.1 - аналого-цифровой преобразователь;
Фиг.2 - фильтр нижних частот.
Аналого-цифровой преобразователь (фиг. 1) содержит цифровой синхронный счетчик 1, цифровой параллельный регистр 2, частотно-фазовый детектор 3, фильтр нижних частот 4, генератор 5, управляемый напряжением, цифровой делитель частоты 6. На вход цифрового синхронного счетчика 1 поступает тактовый сигнал, выход цифрового синхронного счетчика 1 подключен к первому входу частотно-фазового детектора 3 для передачи инверсного сигнала старшего бита, выходная шина данных цифрового синхронного счетчика 1, подключена к первому входу цифрового параллельного регистра 2. Выход частотно-фазового детектора 3 подключен к второму входу цифрового параллельного регистра 2 и к первому входу фильтра нижних частот 4. На второй вход фильтра нижних частот 4 поступает измеряемый сигнал, а выход фильтра нижних частот 4 подключен к входу генератора 5, управляемого напряжением. Выход генератора 5, подключен к входу цифрового делителя частоты 6, выход цифрового делителя частоты 6 подключен ко второму входу частотно-фазового детектора 3. Выход цифрового параллельного регистра 2 выполнен в виде выходной шины и является выходом устройства. Фильтр нижних частот 4 выполнен на основе активного интегрирующего звена с двумя резистивными блоками.
Фильтр нижних частот 4 содержит два резистивных блока 7, 8, два конденсатора 9,10 и операционный усилитель 11. Вход первого резистивного блока 7 является первым входом фильтра нижних частот, первый выход резистивного блока 7 соединен с инвертирующем входом операционного усилителя 11, второй выход резистивного блока 7 соединен с входом первого конденсатора 9, выход которого соединен с выходом операционного усилителя 11, образуя выход фильтра нижних частот 4. Вход резистивного блока 8 является вторым входом фильтра нижних частот 4, первый выход резистивного блока 8 подключен к неинвертирующему входу операционного усилителя 11, второй выход резистивного блока 8 подключен к входу второго конденсатора 10, а выход конденсатора 10 подключен к точке нулевого потенциала микросхемы.
Резистивные блоки 7, 8 состоят из резистивного делителя напряжения, который определяет диапазон выходного сигнала фильтра нижних частот.
Аналого-цифровой преобразователь работает следующим образом: измеряемый сигнал подается на второй вход фильтра нижних частот 4, уровень которого линейно влияет на изменение скважность выходного сигнала частотно-фазового детектора, по заднему фронту которого происходит считывание данных с синхронного цифрового счетчика 1 и запись в цифровой параллельный регистр 2. Операционный усилитель 11 входящий в состав фильтра нижних частот 4 стремиться к нулевой разнице напряжений на входах, так как имеет инвертирующую схему включения с отрицательной обратной связью. Частотно-фазовый детектор 3, фильтр нижних частот 4, генератор 5, цифровой делитель частоты 6 образуют контур фазовой автоподстройки частоты с отрицательной обратной связью, которая стремиться скомпенсировать разницу напряжений на входах операционного усилителя 11 за счет изменения скважности выходного сигнала частотно-фазового детектора 3. В результате чего скважность выходного сигнала частотно-фазового детектора 3 изменяется в зависимости от напряжения на втором входе фильтра нижних частот 4 по линейному закону в диапазоне, зависящем от типа операционного усилителя 11.
Согласно проведённым экспериментам, использование данного решения позволит повысить точность преобразования аналогово сигнала до 0,001% при значениях температуры от - 60°С до 125°С за счет компенсационных свойств обратных связей аналого-цифрового преобразователя.