CS243739B1

CS243739B1 - Wiring to increase the relative accuracy of an analog-to-digital converter

Info

Publication number: CS243739B1
Application number: CS843909A
Authority: CS
Inventors: Jan Bydzovsky
Original assignee: Jan Bydzovsky
Priority date: 1984-05-24
Filing date: 1984-05-24
Publication date: 1986-06-12
Also published as: CS390984A1

Abstract

V Regulační technice je při zahájení regulačního pochodu velká regulační odchylka a je plně využít rozsah převodníku. V ustáleném stavu regulačního pochodu se odchylky zmenšuje, převodník není plně využit a relativní chyba převodníku je velká. Zapojení podle vynálezu zvětšuje regulační odchylku pomocí vstupního zesilovače a přídavných obvodů i ustálení stavu regulačního pochodu. Výstup známého A-S převodníku je spojen s pamětí ROM, kde je předem naprogramována velikost zesílení vstupního zesilovače. Výstup paměti ROM ovládá přes oddělovací obvody a zapínací obvod spínací tranzistory, připínající.jednotlivé váhové odpory a tím i velikost zesílení vstupního zesilovače. Řídicí obvod před zahájením nového převodu nuluje posuvný a pamětový registr A-S převodníku a zároveň vymezuje první část převodu. Zapojení je vhodné pro regulační obvody, kde je provedeno řízení pomooí mikropočítačů.In control technology, when the control process is started, the control deviation is large and the converter range is fully utilized. In the steady state of the control process, the deviations decrease, the converter is not fully utilized and the relative error of the converter is large. The circuit according to the invention increases the control deviation by means of an input amplifier and additional circuits and the stabilization of the state of the control process. The output of the known A-S converter is connected to the ROM memory, where the gain of the input amplifier is pre-programmed. The output of the ROM memory controls, via the separation circuits and the switching circuit, the switching transistors, which connect the individual weight resistors and thus the gain of the input amplifier. Before starting a new conversion, the control circuit resets the shift and memory registers of the A-S converter and at the same time defines the first part of the conversion. The circuit is suitable for control circuits where control is performed by means of microcomputers.

Description

Vynález se týká zapojení pro zvýšení relativní přesnosti analogově-číslicového převodníku s postupnou aproximaxí analogového signálu, sestávajícího z analogově-číslicového převodníku a jeho podpůrných obvodů, tj. řídicího startstop oscilátoru, zdroje referenčního napětí a komparátoru.The invention relates to a circuit for increasing the relative accuracy of an analog-to-digital converter with a progressive approximation of an analogue signal consisting of an analog-to-digital converter and its supporting circuits, ie the startstop control oscillator, reference voltage source and comparator.

Analogově-číslicové převodníky převádějí analogovou hodnotu napětí na číslicový tvar. V současné době existuje řada převodníků analogového napětí na číslicový údaj, přičemž činnost je založena na různých elektronických principech, v tomto případě se jedná o převodníky a postupnou aproximací analogového signálu. Tento typ převodníků se nejčastěji používá ve spojení s mikropočítači a počítači. Jejich výhodou je vysoká rychlost převodu analogového napětí na číslicovou formu a možnost řízení začátku převodu pomocí startovacího signálu. U analogově-číslicového převodníku se zavádí pojem chyby převodníku, která je u převodníků s postupnou aproximací závislá na přesnosti číslicově-amalogového převodníku, přesnosti komparátoru a přesnosti referenčního zdroje napětí. Je-li například převodník lObitový, tj. nejvyšší převáděné číslo je 1024 v binárním kódu a jeho absolutní chyba je například + 1 digit, pak při převodu analogového napětí na číslicovou formu je při údaji převodníku 1000 relativní chyba 0,1 %>· Při převodu napětí, jenž odpovídá binárnímu tvaru 100 je relativní chyba 1 &. Při převodu napětí, kdy údaj převodníku je 10, jeAnalog-to-digital converters convert the analog voltage value into a digital form. Currently, there are a number of analog voltage to digital converters, and the operation is based on various electronic principles, in this case converters and the gradual approximation of the analog signal. This type of converters is most often used in conjunction with microcomputers and computers. Their advantage is the high rate of conversion of analog voltage to digital form and the possibility of controlling the start of the conversion by means of a start signal. For analog-to-digital converters, the term converter error is introduced, which for converters with gradual approximation depends on the accuracy of the digital-to-analog converter, the accuracy of the comparator and the accuracy of the reference voltage source. For example, if the converter is 10-bit, ie the highest number to be converted is 1024 in binary code and its absolute error is, for example, + 1 digit, then when converting analog voltage to digital form, the voltage that corresponds to the binary shape 100 is the relative error 1 &. When converting voltage, when the converter is 10, is

243 739 relativní chyba již rovna 10 fc. Z uvedeného vyplývá, že relativní chybou se rozumí poměr mezi absolutní chybou a údajem převodníku. V regulační technice, kde je zpracovávána regulační odchylka, je při zahájení regulačního pochodu tato odchylka velká a je využit plný rozsah převodníku. Postupně se však regulační odchylka zmenšuje a v ustáleném stavu regulačního pochodu není již plně využit rozsah analogově číslicového převodníku. Například při zahájení regulačního pochodu je výstup převodníku roven hodnotě 845 a ve stacionárním stavu.regulačního pochodu je regulační odchylka již malá a činí například hodnotu 5. Převodník není využit pokud se týká jeho rozsahu a relativní chyba převodníku je velká. Je proto snaha za účelem zkvalitnění regulačního pochodu zvětšit odchylku regulační á tím využívat plně převodníku. Dosud známá zapojení analogově číslicových převodníků toto neumožňovala a bylo zapotřebí technickými prostředky zvyšovat absolutní přesnost analogově číslicových převodníků.243,739 relative error already equal 10 fc. It follows that relative error means the ratio between absolute error and converter data. In a control technique where a control deviation is processed, the deviation is large at the start of the control process and the full transmitter range is utilized. Gradually, however, the control deviation decreases and the range of the analog-to-digital converter is no longer fully utilized in the steady state of the control process. For example, at the start of the control process, the output of the transducer is equal to 845 and in the stationary state. The control deviation is already small and is 5, for example. The transducer is not used in its range and the transducer relative error is large. Therefore, in order to improve the control process, there is an effort to increase the control deviation and thus to fully utilize the converter. The hitherto known analog-to-digital converter connections did not allow this and it was necessary to increase the absolute accuracy of the analog-to-digital converters by technical means.

Výše uvedené nevýhody odstraňuje zapojení pro zvýšení relativní přesnosti analogově-číslicového převodníku podle vynálezu a jeho podstata spočívá v tom, že startovací vstup je spojen s tvarovacím obvodem, jehož výstup je spojen s prvním vstupem řídicího obvodu. Druhý vstup tohoto obvodu je spojen s prvním výstupem oddělovacího obvodu, třetí vstup s koncovým výstupem a čtvrtý vstup s vymezovacím výstupem analogově-číslicového převodníku. První výstup řídicího obvodu je připojen na startovací vstup analogově-číslicového převodníku, druhý výstup řídicího obvodu na nulovací vstup převodníku a třetí výstup řídicího obvodu je připojen na první vstup oddělovacího obvodu, jehož výstupy jsou připojeny na 1-m informační výstupy. Druhý výstup oddělovacího obvodu je připojen na 1-m výstupy pevné paměti, jejíž 1-n vstupy jsou připojeny k 1-n výstupům pamětového registru převodníku a k 1-n výstupům datového výstupu.The above-mentioned disadvantages eliminate the circuitry for increasing the relative accuracy of the analog-to-digital converter according to the invention and is based on the fact that the start input is connected to a forming circuit, the output of which is connected to the first input of the control circuit. The second input of this circuit is coupled to the first output of the isolation circuit, the third input to the end output, and the fourth input to the delimitation output of the A / D converter. The first output of the control circuit is connected to the start input of the A / D converter, the second output of the control circuit to the reset input of the converter, and the third output of the control circuit is connected to the first input of the isolation circuit. The second output of the decoupling circuit is connected to the 1-m outputs of the fixed memory, whose 1-n inputs are connected to the 1-n outputs of the converter memory register and to the 1-n outputs of the data output.

K výstupů oddělovacího obvodu je spojeno se vstupem zapínacího obvodu, jehož výstupy jsou spojeny s bází spínacích tranzistorů, jejichž emitory jsou paralelně propojeny a v jejichžIt is connected to the outputs of the isolating circuit with the input of a switching circuit whose outputs are connected to the base of switching transistors whose emitters are connected in parallel and in which

- 3 243 739 kolektorech jsou zapojeny váhové odpory. Tyto váhové odpory jsou paralelně spojeny a přes první zpětnovazebný odpor připojeny k invertujícímu vstupu (-) vstupního zesilovače.- 3 243 739 collectors are connected with weight resistors. These weight resistors are connected in parallel and connected via the first feedback resistor to the inverting input (-) of the input amplifier.

K němu je přes vstupní odpor připojen napájecí vstup, neinvertující vstup (+) vstupního zesilovače je pře kompenzační odpor uzemněn, přičemž výstup vstupního zesilovače je spojen jednak přes druhý zpětnovazebný odpor s váhovými odpory a jednak s invertujícím vstupem (-) komparátoru analogově-číslicového převodníku.A non-inverting input (+) of the input amplifier is connected to the input resistance via the input resistor. .

Zapojení pro zvýšení relativní přesnosti analogově-číslicového převodníku podle vynálezu je znázorněno na přiložených Výkresech, kde na obr. 1 je příklad konkrétního zapojení převodníku, na obr. 2 je časový průběh jednotlivých impulzů.The circuitry for increasing the relative accuracy of the analog-to-digital converter according to the invention is shown in the accompanying drawings, in which Fig. 1 shows an example of a particular converter connection, Fig. 2 shows the time course of individual pulses.

Analogově-číslicový přenos se provádí v analogově-číslicovém převodníku, který je označen AČ. Je uvažován převodník s postupnou aproximací, jehož zapojení je obecně známé.Analog-to-digital transmission is performed in an analog-to-digital converter, which is marked AC. A step-by-step converter whose connection is generally known is contemplated.

Analogově-číslicový převodník AČ s postupnou aproximací sestává z posuvného registru PR, pamětového registru ČA. Další součástí jsou podpůrné obvody převodníku a to řídicí start-stop oscilátor RO, zdřoj referenčního napětí RN pro číslicově-analogový převodník ČA a komparátor K pro porovnání analogového napětí s napětím na výstupu číslicově-analogového převodníku ČA.Analog-to-digital convertor AC with gradual approximation consists of shift register PR, memory register CA. Other components are converter support circuits, namely the start-stop control oscillator RO, reference voltage source RN for digital-to-analog converter CA and comparator K for comparison of analog voltage with voltage at output of digital-to-analog converter CA.

Start analogově-číslicového převodníku AČ zahajuje napětí impulsního tvaru, které je přivedeno na startovací vstup V2> Startovací impulsní napětí se tvaruje v tvarovacím obvodu Z1 tak, aby bylo vhodné pro řízení dalších elektronických obvodů.The start of the A / D converter starts the pulse shape voltage that is applied to the start input V2> The pulse start voltage is shaped in the shaping circuit Z1 to be suitable for controlling other electronic circuits.

Z tvarovacího obvodu Z1 se tvarované napětí přivádí na vstup řídicího obvodu RP, odkud je dále přivedeno na startovací vstup 10 analogově-číslicového převodníku AČ a startuje start-stop oscilátor RO.From the shaping circuit Z1, the shaping voltage is applied to the input of the control circuit RP, from which it is further supplied to the start input 10 of the analog-to-digital converter AC and starts the start-stop oscillator RO.

Oscilátor RO dává na svém výstupu impulsní napětí, které je přivedeno na vstup posuvného registru PR se postupně přesouvá logická jednička a to od začátku ke konci posuvného registru PR. Z jeho výstupu je řízen pamětový registr PM na jehožThe oscillator RO gives a pulse voltage at its output, which is applied to the input of the PR shift register, the logical one is gradually moving from the beginning to the end of the PR shift register. From its output is controlled the PM memory register on which

- 4 243 739 výstup navazuje číslicově-analogový převodník ČA. Napětí z výstupu převodníku ČA se přivádí na vstup komparátorů K, kde je porovnáváno se vstupním analogovým napětím· Z výstupu komparátorů K jsou ovládány jednotlivé klopné obvody pamětového registru PM. jehož výstupy jsou přivedeny na 1-n datové výstupy VO a představují číslicový údaj, odpovídající vstupnímu analogovému napětí.- 4 243 739 output is connected by a digital-to-analog converter CA. The voltage from the output of the converter A is applied to the input of comparators K, where it is compared with the input analog voltage. · From the output of comparators K, the individual flip-flops of the memory register PM are controlled. whose outputs are connected to the 1-n data outputs VO and represent a digital value corresponding to the analog input voltage.

Toto známé zapojení analogově-číslicového převodníku AČ je označeno na obr. 1 čárkovaně. Ostatní obvody představují přidané obvody a jsou předmětem vynálezu.This known connection of the analog-to-digital converter AC is indicated by dashed lines in Fig. 1. Other circuits are added circuits and are the subject of the invention.

Startovací vstup V2 je spojen s tvarovacím obvodem Zl, jehož výstup je spojen s prvním vstupem řídicího obvodu RP. Druhý vstup tohoto obvodu je spojen s prvním výstupem oddělovacího obvodu Z2. třetí vstup s koncovým výstupem KP a čtvrtý vstup s vymezovacím výstupem 20 analogově-číslicového převodníku AČ. První výstup řídicího obvodu RP je připojen na startovací vstup 10 analogově-číslicového převodníku AČ, druhý výstup řídicího obvodu RP na nulovací vstup 11 převodníku AČ a třetí výstup tohoto obvodu je připojen na první vstup oddělovacího obvodu Z2. jehož výstupy jsou připojeny na 1-m informační výstupy RS. Druhý vstup oddělovacího obvodu Z2 je připojen na 1-m výstupy pevné paměti ROM, jejíž 1-n vstupy jsou připojeny k 1-n výstupům pamětového registru PM převodníku AČ a k 1-n výstupům datového výstupu VO. K výstupů oddělovacího obvodu 22 je spojeno se vstupem zapínacího obvodu ZO, jehož výstupy jsou spojeny s bází spínacích tranzistorů TI - Tfc. Jejich emitory jsou paralelně propojeny a v kolektorech mají zapojeny váhové odpory Rl - Rk. které jsou paralelně spojeny a přes první zpětnovazebný odpor Rll připojeny k invertujícímu vstupu (-) vstupního zesilovače Al, k němuž je přes vstupní odpor R10 připojen napájecí vstup VI. Neinvertující vstup (+) vstupního zesilovače Al je přes kompenzační odpor R13 uzemněn.The start input V2 is connected to the shaping circuit Z1, the output of which is connected to the first input of the control circuit RP. The second input of this circuit is connected to the first output of the separation circuit Z2. the third input with the end output KP and the fourth input with the delimitation output 20 of the A / C converter. The first output of the control circuit RP is connected to the start input 10 of the analog-to-digital converter AC, the second output of the control circuit RP to the reset input 11 of the AC converter, and the third output of this circuit is connected to the first input of the isolation circuit Z2. whose outputs are connected to 1-m RS information outputs. The second input of the isolation circuit Z2 is connected to the 1-m outputs of the ROM, whose 1-n inputs are connected to the 1-n outputs of the PM memory register of the AC converter and to the 1-n outputs of the VO data output. It is connected to the outputs of the separating circuit 22 with the input of the switching circuit ZO, the outputs of which are connected to the base of the switching transistors T1-Tfc. Their emitters are connected in parallel and weights Rl - Rk are connected in the collectors. which are connected in parallel and connected via the first feedback resistor R1 to the inverting input (-) of the input amplifier A1, to which the input input VI is connected via the input resistor R10. The non-inverting input (+) of the input amplifier A1 is grounded through the compensating resistor R13.

- 5 243 739- 5 243 739

Výstup vstupního zesilovače Al je spojen jednak přes druhý zpětnovazebný odpor R12 s váhovými odpory Rl - Rk a jednak s invertujíím vstupem (-) komparátorů K analogově-číslicového převodníku AČ.The output of the input amplifier A1 is connected via a second feedback resistor R12 to the weight resistors R1 - Rk and to the inverting input (-) of the comparators K of the A / A converter.

Přivedením impulsního napětí na startovací vstup V2 se zahájí převod. Na startovací vstup 10 analogově-číslicového převodníku Aě je přivedeno napětí, jak je označeno na obr. 2. Převodník AČ provede několik váhových kroků - jejich počet je pevně nastaven v posuvném registru PR. Výstup převodníku AČ je dále přiveden na vstup pevné paměti ROM, kde je předem naprogramována velikost zesílení vstupního zesilovače Al. Po vykonání určitého počtu váhových kroků se nastaví podle stavu výstupu převodníku AČ zesílení vstupního zesilovače Al a začne nový analogově-číslicový převod. Před zahájením nového převodu nuluje nulovací výstup 11 řídicího obvodu RP posuvný registr PR a paměťový registr PM převodníku AČ. Z výstupu start-stop oscilátoru RO jsou přiváděny na vstup řídicího obvodu RP impulsy pro vymezení první části převodu. Jedná se o vymezovací výstup 20, časový průběh jeho impulsů je zakreslen na obr. 2 stejně jako časový průběh nulovacích ompulsů přivedených na nulovací vstup 11 převodníku AČ. Výstup z pevné paměti ROM ke přiveden na vstup oddělovacího obvodu Z2, jehož 1-m výstupy jsou přivedeny na informační výstupy RS převodníku AČ a podávají informaci o. velikosti zesílení vstupního zesilovače Al. K” výstupů oddělovacího obvodu Z2 je přivedeno na vstup zapínacího obvodu ZO, jehož výstupy ovládají spínací tranzistory Tl - Tk.Applying the pulse voltage to the start input V2 starts the conversion. A voltage is applied to the start input 10 of the A / D converter Ae as shown in FIG. 2. The AAC converter performs several weight steps - their number is fixed in the shift register PR. The output of the AAC converter is further connected to the input of the ROM, where the amplification amount of the input amplifier A1 is pre-programmed. After performing a certain number of weight steps, the gain of the input amplifier A1 is set according to the output status of the AAC converter and a new analog-to-digital conversion is started. Before starting a new conversion, the reset output 11 of the control circuit RP resets the shift register PR and the memory register PM of the AC converter. From the start-stop output of the oscillator RO, pulses are applied to the input of the control circuit RP to define the first part of the transmission. It is a delimiting output 20, the time course of its pulses is plotted in FIG. 2 as well as the time course of the reset pulses applied to the reset input 11 of the AAC converter. The output from the ROM is connected to the input of the isolation circuit Z2, whose 1-m outputs are connected to the information outputs RS of the AC converter and provide information on the amplification amount of the input amplifier A1. The outputs of the separation circuit Z2 are connected to the input of the switching circuit ZO, whose outputs control the switching transistors T1-Tk.

1-m výstupy pevné paměti ROM ovládají přes oddělovací obvody Z2 a zapínací obvod ZO spínací tranzistory Tl - Tk a tím i velikost zesílení vstupního zesilovače Al.The 1-meter fixed ROM outputs control the switching transistors T1-Tk via the separation circuits Z2 and the switching circuit ZO and thus the amplification amount of the input amplifier A1.

Vstupní napětíkje na analogově-číslicový převodník AČ přiváděno přes vstupní zesilovač Al. Velikost jeho zesílení závisí na velikosti vstupního odporu R10 a prvního a. druhého zpětnovazebního odporu Rll a R12. Zesílení vstupního zesilovače Al lze měnit pomocí váhových odporů Rl - Rk, které mohou být připojovány pomocí spínacích tranzistorů Tl - TK. V příkladu zapojení podle obr. 1The input voltage is supplied to the analog-to-digital converter AC via the input amplifier A1. The magnitude of its gain depends on the magnitude of the input resistor R10 and the first and second feedback resistors R11 and R12. The gain of the input amplifier A1 can be varied by means of the weight resistors R1-Rk, which can be connected by switching transistors T1-TK. In the wiring example of FIG. 1

- 6 243 739 jsou uvažovány unipolární tranzistory, je však rovněž možné < použití bipolárních tranzistorů.6,243,739 unipolar transistors are contemplated, but it is also possible to use bipolar transistors.

Kombinací váhových odporů R1 - RE. které jsou zapojeny v kolektorech spínacích tranzistorů TI - TA. je možné nastavení zesílení podle předem zvoleného výstupu pevná paměti ROM. Oddělovací obvod Z2 je řízen z výstupu řídicího obvodu RP a je možný pouze v prvním převodním cyklu.Combining weight resistors R1 - RE. which are connected in collectors of switching transistors TI - TA. it is possible to adjust the gain according to the pre-selected fixed ROM output. The separation circuit Z2 is controlled from the output of the control circuit RP and is only possible in the first transmission cycle.

Koncový výstup KP dává informaci o konci převodu. Jemu odpovídající časový průběh napětí je znázorněn na obr. 2.End output KP gives information about the end of the conversion. The corresponding waveform of the voltage is shown in Fig. 2.

Konkrétní příklad zapojení: Máme-li k dispozici 10 bitový analogově, pak maximální výstupní číslicový údaj je 1 024 při vstupním napětí 10,24 V. Chceme-li v ustáleném stavu využít rozsah 10, pak tomu odpovídá vstupní napětí 0,1 V. V prvním převodovém kroku se provede 7 bitový převod. V případě, že je všech 7 bitů nulových, je výstup pevné paměti ROM předem naprogramován tak, aby zesílení vstupního zesilovače Al bylo rovno hodnotě 10. Informace o velikosti zesílení se objeví na 1-n informačních výstupech RS. Vstupnímu napětí 0,1 V pak odpovídá číslicový údaj 1000.A specific example of wiring: If we have a 10-bit analogue, then the maximum output digital value is 1,024 at an input voltage of 10.24 V. If we want to use the range 10 at steady state, then the input voltage is 0.1 V. in the first conversion step, a 7 bit conversion is performed. If all 7 bits are zero, the fixed ROM output is pre-programmed so that the gain of the input amplifier A1 is equal to 10. Information about the amount of gain appears on the 1-n information outputs RS. The input voltage of 0.1 V corresponds to the numerical value 1000.

Zapojení je vhodné pro regulační obvody, kde je realizováno řízení pomocí mikropočítačů.The connection is suitable for control circuits where microcomputer control is realized.

Claims

SUBJECT OF THE INVENTION

243 739

Circuit for increasing the relative accuracy of an A / D converter with a progressive approximation of an A / D converter consisting of an A / D converter and its supporting circuits, ie a control start-stop oscillator, reference voltage source and comparators, characterized in that the start vatup (V2) is connected to a forming circuit (Z1), the output of which is connected to a first input of the control circuit (RP), the second input of which is connected to the first output of the separation circuit (Z2), the third input to the end output (KF) and 20) analog-to-digital converter (AC), first output of control circuit (RP) is connected to start input (10) of analog-to-digital converter (AC), second output of control circuit (RP) to reset input (11) of converter (AC) and a third output of the control circuit (RP) is coupled to the first input of the isolation circuit (Z2), the outputs of which are connected to the circuit connected to the 1-m information outputs (RS), the second input of the decoupling circuit (Z2) is connected to the 1-m outputs of the fixed memory (ROM), whose 1-n inputs are connected to the 1-n outputs of the memory register (PM) AC) and to 1-n outputs of the data output (VO), K ”outputs of the separating circuit (Z2) is connected to the input of the switching circuit (ZO), whose outputs are connected to the base of switching transistors (TI - Tk). and in whose collectors are connected weight resistors (R1 - Rk) which are connected in parallel and connected to the inverting input via the first feedback resistor (R11). (-) of the input amplifier (A1) to which it is connected via the input resistor (R10). the power input (VI), the non-inverting input (+) of the input amplifier (A1) is grounded via the compensating resistor (R13), the output of the input amplifier (A1) being connected via a second feedback resistor (R12) to the weight resistors (R1 - Rk) a with inverting input (-) of comparators (K) of analog-to-digital converter (AC).