Патент на изобретение №2331155

(54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ АНАЛОГОВЫХ СИГНАЛОВ В КОД

(57) Реферат:

Использование: в области вычислительной и измерительной техники. Технический результат заключается в повышении точности и расширении функциональных возможностей устройства. Устройство для преобразования аналоговых сигналов в код содержит первый аналого-цифровой преобразователь (АЦП), второй АЦП, ключи, устройство управления, генератор тактовой частоты. В него введены источник прецизионного опорного напряжения, снабженный системой термостатирования, регистр управления, буферный регистр, процессор, постоянное запоминающее устройство с прошивкой программ процессора для управления устройством для преобразования аналоговых сигналов в код, ключи выполнены в виде релейных ключей, каждый первый и второй АЦП выполнены как сигма-дельта аналого-цифровой преобразователь, к контактам ключей подключены вывод нулевого потенциала источника аналогового сигнала и выход источника прецизионного опорного напряжения. 3 ил.

Изобретение относится к области вычислительной и измерительной техники, а именно к устройствам для преобразования напряжения постоянного тока в код.

Известно устройство для преобразования аналоговых сигналов в код [1], содержащее два аналого-цифровых преобразователя (АЦП) и устройство управления каждым АЦП.

Наиболее близким по технической сущности является устройство для преобразования аналоговых сигналов в код [2], содержащее первый аналого-цифровой преобразователь (АЦП), второй АЦП, ключи с входами аналоговых сигналов, устройство управления, генератор тактовой частоты.

Недостатком такого устройства для преобразования аналоговых сигналов в код является погрешность преобразования, обусловленная температурным и временным изменениями коэффициента преобразования.

Техническим результатом изобретения является повышение точности устройства для преобразования аналоговых сигналов в код и расширение его функциональных возможностей.

Данный технический результат достигается в устройстве для преобразования аналоговых сигналов в код, содержащем первый аналого-цифровой преобразователь (АЦП), второй АЦП, ключи с входами аналоговых сигналов, устройство управления, генератор тактовой частоты, тем, что в него введены источник прецизионного опорного напряжения, снабженный системой термостатирования, регистр управления, буферный регистр, процессор, постоянное запоминающее устройство (ПЗУ) с прошивкой программ процессора для управления устройством для преобразования аналоговых сигналов в код, первый, второй, третий, четвертый ключи выполнены в виде релейных ключей, каждый первый и второй АЦП выполнен как сигма-дельта аналого-цифровой преобразователь, к размыкающим контактам первого и второго релейных ключей подключен потенциальный вывод источника аналогового сигнала, к размыкающим контактам третьего и четвертого релейных ключей подсоединен вывод нулевого потенциала источника аналогового сигнала, к замыкающим контактам третьего и четвертого релейных ключей подключен выход источника прецизионного опорного напряжения, переключающий контакт третьего релейного ключа подсоединен к замыкающему контакту первого релейного ключа, переключающий контакт четвертого релейного ключа подсоединен к замыкающему контакту второго релейного ключа, переключающий контакт первого релейного ключа подсоединен к входу первого АЦП, к входу второго АЦП подключен переключающий контакт второго релейного ключа, к входам управления первого, второго, третьего и четвертого релейных ключей подключены соответственно первый, второй, третий и четвертый выходы регистра управления, к входам процессора подключены выходы первого и второго АЦП и генератора тактовой частоты, еще один вход процессора предназначен для подключения сигнала цикла от внешнего процессора, один выход процессора соединен шиной с входом регистра управления, другие выходы процессора соединены с входами данных, адреса записи и разрешения записи буферного регистра, тактовые входы первого и второго АЦП соединены с выходами процессора, ПЗУ соединено шиной с процессором, регистр управления и процессор предназначены для выполнения функций устройства управления, для передачи данных внешнему процессору предназначены выход кода и вход адреса чтения буферного регистра.

Посредством введения регистра управления, буферного регистра, процессора, источника прецизионного опорного напряжения, ПЗУ с прошивкой программ процессора, релейных ключей, подключения к контактам релейных ключей вывода нулевого потенциала источника аналоговых сигналов, источника прецизионного опорного напряжения, выполнения АЦП как сигма-дельта аналого-цифровой преобразователь, обеспечивается повышение точности преобразования аналогового сигнала в код за счет компенсации аддитивной и мультипликативной погрешностей преобразования, улучшения соотношения сигнал-шум.

Путем выполнения первого и второго АЦП как сигма-дельта аналого-цифровой преобразователь, введения процессора расширяются функциональные возможности устройства для преобразования аналоговых сигналов в код, так как его выходными сигналами являются интегральная функция входного сигнала и временной интервал, за который эта функция получается. Это упрощает процедуру обмена внешнего процессора с устройством для преобразования аналоговых сигналов в код как с асинхронным устройством и позволяет получать одновременно интегральную функцию входного сигнала и производную от этого интеграла.

На фиг.1 представлена электрическая схема устройства для преобразования аналоговых сигналов в код, на фиг.2 – циклограммы работы устройства для преобразования аналоговых сигналов в код, на фиг.3 – циклограммы тактовых и управляющих сигналов.

В устройстве для преобразования аналоговых сигналов в код (фиг.1) потенциальный вывод ХТ1 источника аналоговых сигналов подключен к размыкающим контактам первого 1^I и второго 1^II релейных ключей, к размыкающим контактам третьего 1^III и четвертого 1^IV релейных ключей подсоединен вывод ХТ2 нулевого потенциала источника аналоговых сигналов. К замыкающим контактам третьего 1^III и четвертого 1^IV релейных ключей подключен выход источника прецизионного опорного напряжения 2, у которого выполнена система термостатирования. Переключающий контакт третьего релейного ключа 1^III подсоединен к замыкающему контакту первого релейного ключа 1^I, переключающий контакт четвертого релейного ключа 1^IV подсоединен к замыкающему контакту второго релейного ключа 1^II. Переключающий контакт первого релейного ключа 1^I подсоединен к входу первого АЦП 3^I, к переключающему контакту второго релейного ключа 1^II подсоединен вход второго АЦП 3^II. Первый АЦП 3^I и второй АЦП 3^II выполнены как сигма-дельта аналого-цифровой преобразователь. К входу управления первого релейного ключа 1^I подключен первый выход «а» регистра управления 4. Соответственно к входам управления второго 1^II, третьего 1^III и четвертого 1^IV релейного ключей подсоединены второй «б», третий «в» и четвертый «г» выходы регистра управления 4.

Выход первого АЦП 3^I подключен к входу «д» процессора 5, к входу «е» которого подсоединен выход второго АЦП 3^II. К входу «ж» процессора 5 подключен выход генератора тактовой частоты 6. Вход «з» процессора 5 предназначен для подключения сигнала внешнего цикла от внешнего процессора.

Выходы «к», «л» процессора 5 подсоединены к тактовым входам первого 3^I и второго 3^II АЦП. Еще один выход процессора 5 соединен шиной 7 с входом регистра управления 4. Выход «м» процессора 5 подключен к входу разрешения записи буферного регистра 8. Шиной 9 выход процессора 5 соединен с входом данных буферного регистра 8, вход адреса записи которого соединен шиной 10 с выходом процессора 5. ПЗУ 11 соединено шиной 12 с процессором 5. Выход кода по шине 13 и вход адреса чтения по шине 14 буферного регистра 8 предназначены для передачи данных внешнему процессору.

Устройство для преобразования аналоговых сигналов в код работает следующим образом.

Напряжение U_вх на выводах ХТ1, ХТ2 (фиг.1) источника аналоговых сигналов через размыкающий контакт первого релейного ключа 1^I подсоединяется к входу первого АЦП 3^I и через размыкающий контакт второго релейного ключа 1^II – к входу второго АЦП 3^II. После преобразования в первом АЦП 3^I напряжения U_вх1 в код N_вх1, коррекции кода N_вх1 в процессоре 5, по шине 13 буферного регистра 8 во внешний процессор после запроса внешнего процессора выдается выходной код N_вых1 устройства для преобразования аналоговых сигналов в код.

В момент времени t₁ (фиг.2) по сигналу с выхода «а» регистра управления 4 происходит переключение первого релейного ключа 1^I, и на вход первого АЦП 3^I подается потенциал, существующий на выводе ХТ2 источника аналоговых сигналов. В первом АЦП 3^I этот потенциал преобразуется в код N₀₁. С момента времени t₁ процессор 5 выдает после коррекции в буферный регистр 8 преобразованное в код N_вх2 во втором АЦП 3^II напряжение U_вх2, и по шине 13 буферного регистра 8 во внешний процессор после запроса внешнего процессора выдается выходной код N_вых2 устройства для преобразования аналоговых сигналов в код.

В момент времени t₂ по сигналу с выхода «в» регистра управления 4 происходит переключение третьего релейного ключа 1^III, и на вход первого АЦП 3^I подается напряжение U_оп от источника прецизионного опорного напряжения 2, которое преобразуется в первом АЦП 3^I в код N_оп1.

В момент времени t₃ по сигналу управления с выхода «а» регистра управления 4 первый релейный ключ 1^I возвращается в исходное положение, подключая к входу первого АЦП 3^I входное напряжение U_вх1. В это же время по сигналу управления с выхода «в» регистра управления 4 третий релейный ключ 1^III возвращается в исходное состояние.

В интервал времени от момента времени t₃ до момента времени t₄ в процессоре 5 производятся следующие вычисления.

Вычисляется код N’_вх1:

Определяется код N’_оп1:

Вычисляется коэффициент K₁:

где N_K – код напряжения источника прецизионного опорного напряжения 2, определенный при предварительной калибровке устройства для преобразования аналоговых сигналов в код.

В процессоре 5 формируется скорректированный код N_вых1:

Этот код выдается в буферный регистр 8 и с выхода буферного регистра 8 по шине 13 выдается во внешний процессор по запросу внешнего процессора.

В момент времени t₄ процессор прекращает выдачу кода N_вых2 в буферный регистр 8.

В момент времени t₅ по сигналу управления с выхода «б» регистра управления 4 происходит переключение второго релейного ключа 1^II, на вход второго АЦП 3^II поступает потенциал, существующий на выводе ХТ2 источника аналоговых сигналов, который преобразуется во втором АЦП 3^II в код N₀₂.

В момент времени t₆ сигналом управления с выхода «г» регистра управления 4 производится переключение четвертого релейного ключа 1^IV, на вход второго АЦП 3^II подается напряжение U_оп от источника прецизионного опорного напряжения 2, которое преобразуется во втором АЦП 3^II в код N_оп2.

В момент времени t₇ по сигналу управления с выхода «б» регистра управления 4 второй релейный ключ 1^II возвращается в исходное положение, подключая к входу второго АЦП 3^II входное напряжение U_вх1. В это же время по сигналу управления с выхода «г» регистра управления 4 четвертый релейный ключ 1^IV возвращается в исходное состояние.

В интервал времени от момента времени t₇ до момента времени t₈ в процессоре 5 производятся следующие вычисления.

Вычисляется код N’_вх2:

Определяется код N’оп1:

Вычисляется коэффициент K₂:

В процессоре 5 формируется скорректированный код N_вых2:

Этот код выдается в буферный регистр 8 и с выхода буферного регистра 8 по шине 13 выдается во внешний процессор по запросу внешнего процессора. Момент t₈ аналогичен моменту t₀ циклограммы (фиг.2), с этого момента циклограмма повторяется. Этим обеспечивается непрерывность преобразования входного напряжения от источника аналогового сигнала.

Таким образом во внешний процессор передается код N_вых, который содержит попеременно поступающие коды N_вых1, N_вых2, представляющие преобразованное в первом АЦП 3^I и втором АЦП 3^II входное напряжение от источника аналоговых сигналов. В кодах N_вых1 и N_вых2 устранена аддитивная погрешность по формулам (1) и (5) соответственно, обусловленная наличием потенциала на выводе нулевого потенциала источника аналоговых сигналов. Кроме того, в кодах N_вых1 и N_вых2 устранена мультипликативная погрешность преобразования, вызванная изменением коэффициента преобразования первого АЦП 3^I и второго АЦП 3^II с течением времени и в зависимости от температуры окружающей среды.

На вход «з» процессора 5 от внешнего процессора подаются импульсы Т_x внешнего цикла (фиг.3, а), которым определяется последовательность выдачи кодов N_вых1, N_вых2. Поступающими на тактовый вход первого АЦП 3^I с выхода «к» процессора 5 тактовыми импульсами формируется в первом АЦП 3^I последовательность интервалов преобразования длительностью Т_с (фиг.3, б). Поступающими на тактовый вход второго АЦП 3^II с выхода «л» процессора 5 тактовыми импульсами формируется во втором АЦП 3^II последовательность интервалов преобразования длительностью Т_с (фиг.3, в), смещенная примерно на половину Т_с относительно последовательности в соответствии с фиг.3, б. Длительность интервала преобразования Т_с не менее чем в 2 раза меньше минимальной длительности Т_x внешнего цикла. При этом за интервал между положительными перепадами импульсов внешнего цикла один из АЦП 3^I,3^II успевает закончить больше внутренних асинхронных циклов преобразования Т_с возможно большей длительности. Погрешность преобразования сигма-дельта АЦП тем меньше, чем больше длительность интегрирования сигнала шума за интервал преобразования Т_с.

К отрицательному перепаду импульса внешнего цикла процессор 5 подготавливает сумму полных приращений кода за то количество циклов Т_с, которое укладывается между положительными фронтами импульсов внешнего цикла (фиг.3, г), и длительность текущего преобразования с помощью синхроимпульсов генератора тактовой частоты. В моменты времени, когда и в каком из АЦП 3^I или 3^II подготовлена сумма полных приращений кода N_вых за период nT_с (где n=2, 3…), коды или N_вых1, или N_вых2 в моменты времени t_ц1, t_ц2, t_ц3, t_ц4 и т.д. (фиг.3, д) передаются во внешний процессор с выхода буферного регистра 8 по шине 13 по запросу внешнего процессора. Кроме того, по запросу внешнего процессора по шине 13 может быть передана длительность временного интервала nT_c, за который получена данная сумма полных приращений.

Регистр управления 4 и процессор 5 во время работы устройства для преобразования аналоговых сигналов в код выполняют функции устройства управления.

Источники информации

1. Авторское свидетельство СССР №1184090, А кл. Н03М 1/00. Следящий аналого-цифровой преобразователь, 1984 г.

2. Авторское свидетельство СССР №377843, кл. Н03М 1/00. Многоканальный аналого-цифровой преобразователь, 1971 г.

Формула изобретения

Устройство для преобразования аналоговых сигналов в код, содержащее первый аналого-цифровой преобразователь (АЦП), второй АЦП, ключи с входами аналоговых сигналов, устройство управления, генератор тактовой частоты, отличающееся тем, что в него введены источник прецизионного опорного напряжения, снабженный системой термостатирования, регистр управления, буферный регистр, процессор, постоянное запоминающее устройство (ПЗУ) с прошивкой программ процессора для управления устройством для преобразования аналоговых сигналов в код, первый, второй, третий, четвертый ключи выполнены в виде релейных ключей, каждый первый и второй АЦП выполнен как сигма-дельта аналого-цифровой преобразователь, к размыкающим контактам первого и второго релейных ключей подключен потенциальный вывод источника аналогового сигнала, к размыкающим контактам третьего и четвертого релейных ключей подсоединен вывод нулевого потенциала источника аналогового сигнала, к замыкающим контактам третьего и четвертого релейных ключей подключен выход источника прецизионного опорного напряжения, переключающий контакт третьего релейного ключа подсоединен к замыкающему контакту первого релейного ключа, переключающий контакт четвертого релейного ключа подключен к замыкающему контакту второго релейного ключа, переключающий контакт первого релейного ключа подсоединен к входу первого АЦП, к входу второго АЦП подключен переключающий контакт второго релейного ключа, к входам управления первого, второго, третьего и четвертого релейных ключей подключены соответственно первый, второй, третий и четвертый выходы регистра управления, к входам процессора подключены выходы первого и второго АЦП и генератора тактовой частоты, еще один вход процессора предназначен для подключения сигнала цикла от внешнего процессора, один выход процессора соединен шиной с входом регистра управления, другие выходы процессора соединены с входами данных, адреса записи и разрешения записи буферного регистра, тактовые входы первого и второго АЦП соединены с выходами процессора, ПЗУ соединено шиной с процессором, регистр управления и процессор предназначены для выполнения функций устройства управления, для передачи данных внешнему процессору предназначены выход кода и вход адреса чтения буферного регистра.

РИСУНКИ