АНАЛОГО-ЦИФРОВОЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ

Предлагаемая полезная модель относится к электроизмерительной технике и может быть использована для построения аналого-цифровых преобразователей (АЦП) постоянного напряжения.
Известно устройство интегрирующего аналого-цифрового преобразователя на основе однополярного сигма-дельта модулятора, содержащего (Б.В.Чувыкин, Э.К.Шахов, В.Н.Ашанин, ХА-АЦП: Синтез одноконтурных структур. Известия высших учебных заведений. Поволжский регион, Технические науки, №1, 2007. Стр 95, рис.2а) сумматор (Сум), интегратор (Инт), сравнивающее устройство (СУ), генератор тактовых импульсов (ГТИ), микропроцессор (МП), ключ и однополярный источник образцового напряжения. Входное напряжение подается на первый вход сумматора, выход сумматора соединен со входом интегратора, выход интегратора соединен с первым аналоговым входом СУ, на второй аналоговый вход СУ подается опорное напряжение. Выход СУ соединен с МП и ключом, вход ключа соединен с источником образцового напряжения, а его выход связан со вторым входом сумматора. Выход генератора тактовых импульсов соединен с входом синхронизации СУ.
Однако указанное устройство может работать только с однополярным входным напряжением.
Кроме того, известен АЦП (В источнике литературы указанном выше. Стр. 92, рис.1а) являющийся прототипом предлагаемой полезной модели. Он содержит сумматор, интегратор, сравнивающее устройство, микропроцессор, генератор тактовых импульсов, переключатель и двуполярный источник образцовых напряжений (ИОН). Входное напряжения подается на первый вход сумматора, выход сумматора соединен со входом интегратора, выход интегратора соединен с первым аналоговым входом СУ, второй аналоговый вход СУ подключен к общей шине, выход ГТИ соединен со входом синхронизации СУ и вторым входом МП, выход СУ соединен с первым входом МП и управляющим входом переключателя, входы переключателя соединены с выходами источника образцовых напряжений, а выход соединен со вторым входом сумматора.
Однако в указанном устройстве существует большая максимальная методическая абсолютная погрешность дискретности, обусловленная неравным нулю значением разности выходного напряжения интегратора в начале и конце интервала измерения. Она равна четырем единицам дискретности преобразователя (В источнике литературы указанном выше. Фомула 6 стр.93).
Задачей предлагаемой полезной модели является уменьшение максимальной методической абсолютной погрешности дискретности.
Поставленная задача достигается тем, что в аналого-цифровой преобразователь, содержащий сумматор, первый вход которого является входом преобразователя, а выход соединен со входом интегратора, выход которого соединен с первым аналоговым входом первого сравнивающего устройства, второй аналоговый вход которого подключен к общей шине, а выход соединен с управляющим входом переключателя, выход которого подключен ко второму входу сумматора, а входы подключены к выходам источника образцовых напряжений, и к первому входу микропроцессора, второй вход которого связан с выходом генератора тактовых импульсов и входом синхронизации первого сравнивающего устройства, кроме того, микропроцессор имеет цифровые выходы, введены второе сравнивающее устройство, логическое устройство и источник опорного напряжения, выход которого соединен со вторым аналоговым входом второго сравнивающего устройства, первый аналоговый вход которого соединен с выходом интегратора, его вход синхронизации соединен с выходом генератора тактовых импульсов, а выход связан со вторым входом логического устройства, первый вход которого соединен с выходом первого сравнивающего устройства, выход логического устройства соединен с третьим входом микропроцессора.
На ФИГ.1 приведена функциональная схема предлагаемого аналого-цифрового преобразователя.
Предлагаемый АЦП содержит:
1 - вход АЦП;
2 - сумматор (Сум);
3 - интегратор (Инт);
1
4 - сравнивающее устройство первое (СУ);
2
5 - сравнивающее устройство второе (СУ);
6 - источник опорного напряжения (Uоп);
7 - генератор тактовых импульсов (ГТИ);
8 - источник образцовых напряжений (ИОН)
9 - переключатель (П);
10 - логическое устройство (ЛУ);
11 - микропроцессор (МП);
12 - цифровой выход АЦП.
1
2
1
2
1
2
1
1
2
1
Первый вход сумматора 2 является входом аналого-цифрового преобразователя 1, выход сумматора 2 соединен со входом интегратора 3. Выход интегратора 3 соединен с первыми аналоговыми входами СУ 4 и СУ 5, входы синхронизации СУ 4 и СУ 5 соединены с выходом ГТИ 7, выходы СУ 4 и СУ 5 соединены с первым и вторым входом ЛУ 10, соответственно. Выход СУ 4 соединен с первым входом МП 11. Второй аналоговый вход СУ 4 подключен к общей шине. Второй аналоговый вход СУ 5 соединен с выходом источника опорного напряжения Uоп 6. Выход СУ 4 соединен с управляющим входом переключателя 9, входы переключателя 9 соединены с выходами источника образцовых напряжений 8, выход переключателя соединен со вторым входом сумматора 2. Выход ЛУ 10 соединен с третьим входом МП 11. Выход ГТИ 7 соединен со вторым входом МП 11. Выходы МП 11 являются цифровыми выходами 12 АЦП.
Сумматор выполнен на резисторах, которые включены на входе интегратора. Интегратор может быть выполнен на операционном усилителе, например, AD711, в цепь обратной связи которого включен конденсатор. В качестве сравнивающего устройства может быть использован компаратор, например, AD8564. Генератор тактовых импульсов - кварцевый резонатор ADR510. В качестве двухпозиционного переключателя могут быть использованы два ключа в одном корпусе, например, ADG721BRM. В качестве ЛУ может быть использовано сочетание логических элементов, например, BU4SU69G2 и BU4S71G2. В качестве микропроцессора может быть применен микроконтроллер ATmega8L. В качестве источника опорных напряжений может быть использована микросхема AD1580.
0
1
1
0
0
и
2
оп
1
оп
1
2
Предлагаемый АЦП работает следующим образом. Допустим, в момент прихода импульса с ГТИ 7, на входе 1 АЦП напряжение отрицательное, а на выходе интегратора напряжения положительное. Тогда на втором входе сумматора переключатель 9 подключает напряжение с выхода ИОН 8 в положение +Е. Напряжение с сумматора 2 подается на интегратор 3. Интегратор 3 вырабатывает линейно убывающее напряжение. Напряжение с выхода интегратора 3 подается на СУ 4, где сравнивается с нулем, сравнение происходит в моменты синхронизации, которые задаются импульсами с выхода ГТИ 7. СУ 4 управляет переключателем следующим образом: если напряжение в момент прихода импульса с ГТИ 7 на выходе интегратора 3 больше нуля, то переключатель подключает к выходу ИОН - E, если же напряжение в момент прихода импульса с ГТИ 7 на выходе интегратора 3 меньше нуля, то переключатель подключает к выходу ИОН +E. Напряжение с выхода интегратора 3 U также подается на СУ 5, где. сравнивается с напряжением U 6, сравнение происходит в те же самые моменты времени, что и в СУ 4. По команде с ЛУ 10, МП 11 начинает счет импульсов, и заканчивает по второй команде с ЛУ 10. МП 11 получает команду от ЛУ 10, если напряжение на выходе интегратора 3, в момент прихода импульса с ГТИ 7, больше нуля и меньше U (т.е. если на выходе СУ 4 - логический «0», а на выходе СУ 5 - логическая «1»). После очередной команды логического устройства 10, МП 11 рассчитывает результат преобразования. Основное уравнение преобразования, описывающее работу АЦП:
НИ
U - напряжение на выходе интегратора в момент начала преобразования,
КИ
вх
U - напряжение на выходе интегратора в момент окончания преобразования, U - входное, преобразуемое напряжение, причем
0
0
0
E - напряжение на выходе источника образцовых напряжений, для которых выполняется соотношение: |+Е|=|-Е|.
x
0
τ и τ - постоянные времени интегратора со стороны преобразуемого и образцового напряжений соответственно, а Т - длительность импульса генратора тактовых импульсов 7.
-
+
0
N и N - число периодов ИОН 8 когда Е были отрицательными и
положительными, соответственно.
Преобразуем выражение (1):
С учетом принятых обозначений, уравнение преобразований приводится к следующему виду, соответствующему Формуле 3 стр.93 прототипа (Б.В.Чувыкин, Э.К.Шахов, В.Н.Ашанин, ХА-АЦП: Синтез одноконтурных структур. Известия высших учебных заведений. Поволжский регион, Технические науки, №1,2007, Фомула 3 стр.93):
И
И
оп
оп
0
0
0
Максимальная методическая абсолютная погрешность дискретности определяется величиной ΔU, в предлагаемом преобразователе максимальное значение ΔU равно U, Значение U задается при проектировании АЦП и может быть задано, например, равным 0.01E. В прототипе максимальное значение этой погрешности равно 4Е. Таким образом, за счет введения в состав АЦП источника опорного напряжения, второго сравнивающего устройства и логического устройства, в предлагаемом АЦП получается уменьшение максимальной методической абсолютной погрешности дискретности преобразования, до уровня, например, 0.01 Е, а выигрыш при этом по максимальной методической абсолютной погрешности дискретности составляет 400 раз, по сравнению с прототипом.