Интегрирующий аналого-цифровой преобразователь

 

ИНТЕГРИРУЮЩИЙ АНАЛОГО-ЦИФРОВОЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ, содержащий генератор импульсов, первый счетчик,, управляющий автомат последовательного типа,три ключа, информационные входы которых соединенысоответственно с шиной преобразуемого напряжения, шиной положительного опорного напряжения , шиной отрицательного опорного напряжения, а выходы - соответственно с первым, вторым и третьим входами интегросуммирующего усилителя , отличающийся тем, что, с целью првьш1ения линейности преобразования без снижения разрешающей способности и помехоустойчивости , в него дополнительно введены четыре элемента ИЛИ, инвертор, два элемента И, два RS -триггера, два 0-триггера, второй счетчик, цифровое вычитающее устройство и три компаратора , первые входы которых объединены и соединены с ыходом интёгросуммирующего усилителя, второй вход первого из которых соединен с шиной первого порогового уровня, а выход - с первым входом первого элемента ИЛИ и 5-входом первого.85 триггера ,R -вход которого соединен с выходом второго элемента ИЛИ, а выход - с nepBblM входом первого элемента И, второй вход которого соединен с управляющим входом первого ключа, входом инвертора, первым выходом управляющего автомата, последовательного типа, первым входом второго элемента И, а выход - с первым входом третьего элемента ИЛИ, второй вход которого соединен с вторым выходом управляющего автомата последовательного типа, а выход с В -входом первого и-триггера, выход которого соединен с управляю Л щим входом второго ключа и входом разрешения счета второго с-четчика, а С -вход - с С -входом второго Dтриггера , счетными входами первого fi е и второго счетчиков, выходом генера тора импульсов и первым входом управляющего , автомата последовательного типа, третий выход которого соединен с входами установки первого Ю счетчика и второго счетчика, выходы э :л которого соединены с первыми входами цифрового вычитающего устройства, второй вход которого соединен с четвертым выходом управляющего автомата последовательного типа, третьи входы - с выходами первого счетчика, разрешения счета которого соединен с управляющим входом третьего ключа и входом второгоD-триггера, D-вход которого,, соединен с выходом четвертого элемента ИЛИ, первый вход которого соединен с пятым выходом -управляющего автомата последовательного типа, второй вход - с выхо

СОЮЗ СОВЕТСНИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (19) (11) (51)4 0 M 1 52

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

IlO ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К AST0PCHOMY СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 3399047/24-24 (22) 22.02.82 (46) 30.12.85. Бюп. У 48 (71) Московский ордена Ленина и ордена Октябрьской Революции энергетический институт (72) В.Н.Евланов и А.А.Шатохин (53) 681 ° 325(088.8) (56) Патент США У 3893105,кл.340/347, опублик. 1975.

Патент Великобритании Р 1311933, кл. G 4 Н, опублик. 1973. (54)(57) ИНТЕГРИРУЮЩИЙ АНАЛОГО-ЦИФРОВОЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ, содержащий генератор импульсов, первый счетчик„ управляющий автоматпоследовательного типа,три ключа, информационные входы которых соединены соответственно с шиной преобразуемого напряжения, шиной положительного опорного напряжения, шиной отрицательного опорного напряжения, а выходы — соответственно с первым, вторым и третьим входами интегросуммирующего усилителя, отличающийся тем, что, с целью повышения линейности преобразования без снижения разрешающей способности и помехоустойчивости, в него дополнительно введены четыре элемента ИЛИ, инвертор, два элемента И, два Ra -триггера, два

O-триггера, второй счетчик, цифровое вычитающее устройство и три ком; паратора, первые входы которых объединейы и соединены с выходом интегросуммирующего усилителя, второй вход первого из которых соединен с шиной первого порогового уровня, а выход — с первым входом первого элемента ИЛИ и 5 -входом первогоЯ5— триггера, R -вход которого соединен с выходом второго элемента ИЛИ, а выход " с первым входом первого элемента И, второй вход которого соединен с управляющим входом первого ключа, входом инвертора, первым выходом управляющего автомата. последовательного типа, первым входом второго элемента И, а выход — с первым входом третьего элемента ИЛИ, второй вход которого соединен с вторым выходом управляющего автомата последовательного типа, а выход— с 3 -входом первогоD -триггера, выход которого соединен с управляющим входом второго ключа и вхопом разрешения счета второго счетчика, а С -вход — с С -входом второго Dтриггера, счетными входами первого и второго счетчиков, выходом генератора импульсов и первым входом управляющего.автомата последовательного типа, третий выход которого со-. единен с входами установки первого счетчика и второго счетчика, выходы которого соединены с первыми входами цифрового вычитающего устройства, второй вход которого соединен с четвертым выходом управляющего автомата последовательного типа, третьи входы — с выкодами первого счетчика, в (од разрешения счета которого соединен с управляющим входом третьего ключа и входом второго Э -триггера, Э-вход которого, соединен с выходом четвертого элемента ИЛИ, первый вход которого соединен с пятым выходом управляющего автомата последовательного типа, второй вход — с выхо1202056 дом второго элемента И, второй вход которого соединен с выходом второго

RG -триггера, R — вход которого соединен с выходом первого элемента

ИЛИ, 6 -вход — с выходом второго компаратора и первым входом второго элемента ИЛИ, второй вход которого соединен с вторым входом первого элеИзобретение относится к цифровой электроизмерительной технике и может быть использовано в цифровых приборах и информационно-измерительных системах.

Целью изобретения является повышение линейности преобразования без снижения разрешающей способности и помехоустойчивости преобразования.

На фиг. 1 приведена функциональная схема АЦП на фиг. 2 — временные диаграммы, поясняющие работу АЦП в течение одного цикла преобразования; на фиг ° 3 - пример реализации управляющего автомата последовательного типа.

Аналого-цифровой преобразователь содержит ключ 1 входного напряжения, ключи 2 и 3 опорных напряжений, ин- тегросуммирующий усилитель 4, компараторы 5 — 7, генератор импульсов (ГИ) 8, управляющий автомат 9 последовательного типа, первый счетчик

10, четыре элемента ИЛИ 11-14, инвертор 15, два элемента И 16 и 17, два RG -триггера 18 и 19, два2 -триггера 20 и 21, второй счетчик 22 и цифровое вычитающее устройство 23.

Управляющий автомат последовательного типа содержит первый фор мирователь 24, инвертор 25, элемент И 26, счетчный триггер 27, элемент И-НЕ 28, элемент И 29, второй формирователь импульсов 30, триг гер 31, инвертор 32 с дифференцирующей цепочкой на входе, элемент .

И 33 третий формирователь 34,элемент

3. о

И-НЕ 35, счетчик 36 импульсов, триггер 37, логический элемент 38, триггер 39, триггер 40, элемент

2И-2-ИЛИ 41, триггер 42, элементы задержки 43 и 44,элемент 2И-2-ИЛИ 45.

1О

3S

40 мента ИЛИ и выходом инвертора, при этом второй вход второго компаратора соединен с шиной второго порогового уровня, причем второй вход третьего компаратора соединен с общей шиной, а выход — с вторым входом управляющего автомата последовательного типа. устройство 46 гальванического разделения.

Устройство работает следующим образом.

Элементы 24-28 вырабатывают пуско. вой сигнал на инверсном выходе триггера 37, который, проходя устройство 46 гальванического разделения, формирует на выходе автомата 9, задающем фиксированный интервал времени интегрирования преобразуемого напряжения, уровень "1". Одновременно коротким импульсом с выхода элемента 28 через элемент 35 сбрасывается в нулевое состояние счетчик 36. Выход элемента 28 является выходом автомата 9, на котором вырабатывается сигнал установки в начальное состояние счетчиков 10 и 22. После сброса счетчика 36 начинается его заполнение импульсами с выхода элемента

45. После переполнения счетчика 36 на выходе элемента 33 вырабатывается короткий импульс, который сбрасывает триггер 37. В результате этого на выходе автомата 9, задающем фиксированный интервал времени интегрирования преобразуемого напряжения, устанавливается уровень "0". Таким образом, время, необходимое для заполнения счетчика 36 импульсами ГИ, определяет длительность фиксированного интервала Т (фиг. 2). Короткий импульс с выхода элемента 33, пройдя формирователь 34, поступает на входы триггеров 40и 42. При этом в триггере 40 фиксируется информация о знаке выходного напряжения ин. тегратора в момент окончания интервала Т (фиг. 2). Информация о знаке в триггер 40 поступает из триггера 39. Сигнал с инверсного выхода триггера 42 через элемент за1202056 (держки 43 дает разрешение на включение опорного напряжения, полярность которого определяется состоянием триггера 40. Под действием выходных сигналов триггеров 40 и

42 на одном из двух выходов устройства 46 гальванического разделения, являющихся выходами автомата 9, разрешающими интегрирование опорного напряжения после окончания интервапа Т (фиг. 2), формируется уровень 1". Выбор знака опорного напряжения определяется состоянием компаратора 5, которое через устройство 46 гальванического разделения и элемент 38 фиксируется в триггере 39. Линия связи выхода компаратора 5 и устройства 46 гальванического разделения является входной шиной автомата 9. В момент окончательного разряда интегратора компаратор

5 изменяет свое состояние, что передается через устройство 46 гальванического разделения, элементы 38 и 39 и приводит к появлению на выходе элемента 41 сигнала, который сбрасывает триггер 42. Этим осуществляется запрет на интегрирование напряже.

° ния опорного источника. Выход элемента 29 является выходом автомата

9 и по сигналу на этом выходе вычи" тающим устройством определяется цифровой эквивалент преобразуемого напр яжения.

В начале цикла преобразования через ключ 1 на вход интегросуммиру. ющего усилителя 4 подается преобразуемое напряжение ll„ . При отрицательном знаке U> выходное напряжение интегратораE(4) линейно возрастает.

После достижения этим напряжением порогового уровня lJ (фиг. 2), выбираемого в линейной области выходной характеристики интегратора, срабатывает компаратор 7. его выходным сигналом Rs -триггер 18 устанавливается в состояние "1" (фиг. 2), а б-триггер 19 — в состояние "0" (фиг. 2). Выходной сигнал R5 -триггера 18 проходит через элемент И 16, поскольку в течение фиксированного интервала. времени Т на первом входе элемента И 16 действует сигнал

"1", поступающий из управляющего автомата 9 последовательного типа. С выхода элемента И 16 сигнал "1" через элемент ИЛИ 13 поступает на

0-вход Э-триггера 20. По положитель» ному фронту ближайшего импульса генератора 83 -триггер 20 переходит в состояние "1". Выходным сигналом

1)-триггера 20 осуществляется подключение к входу интегросуммирующего усилителя 4 через ключ 2 положительного опорного напряжения ц, одновременно дается разрешение на счет импульсов генератора 8 счетчику 22.

10 Создаваемый опорным напряжением разрядный ток должен превышать значение зарядного тока, обусловленное преобразуемым напряжением. В этом случае выходное напряжение интегратора начинаетлинейно уменьшаться и в момент, когда онодостигнет порогового уровня Uä (фиг. 2), срабатывает компаратор 6. Его выходным сигналом устанавливается в состоzo яние "1" RB -триггер 19 (фиг. 2), а RB -триггер 18 возвращается в состояние "0" (фиг. 2). Выходной сигнал Rg -триггера 19 проходит через элемент И 17, так как в течение фиксированного интервала Т< на его первом входе поддерживается сигнал

"1", поступающий из управляющего автомата 9. С выхода элемента 17 сигнал "1" через элемент ИЛИ 14 поступа30 ет на 3 --вход Р -триггера 21. По положительному фронту ближайшего импульса генератора 8 Х);триггер 21 переФ ходит в состояние "1" а 2 -триггер

20 — в состояние "0". Выходным сигналом 3-триггера 21 осуществляется подключение к входу интегросуммирующего усилителя 4 через ключ 3 отрицательного опорного напряжения— (J, одновременно дается разрешение на счет импульсов генератора 8 счет40 чику 10 и т.д.

В момент окончания интегратора

Т (фиг. 2) управляющий автомат 9 на выходе, задающем длительность этого интервала, устанавливает сиг"

45 нал "0". По этому сигналу отключается от входов интегросуммирующего усилителя 4 как преобразуемое, так и опорное напряжение и дается запрет на подсчет импульсов обоим счет чикам 10 и 22. Затем на небольшом вспомогательном интервале времени (фиг. 2) по состоянию компаратора 5 управлякшр и автомат 9 определяет знак остаточного напряжения интегратора. В соответствии с состоянием компаратора 5 управляющий автомат

9 включает опорный источник разряжающий интеграт9Р до нуля, и дает

12020

15 разрешение на счет импульсов одному из счетчиков путем задания сигнала

"1" на второй вход одного из элементов ИЛИ 13 или 14. Момент достижения выходным напряжением интегратора нулевого уровня фиксируется компаратором 5. Цифровой эквивалент преобразуемого напряжения определяется цифровым вычитающим устройством 23 посредством вычитания содержимого счетчика 22 иэ содержимого счетчика 10. На этом цикл преобразования заканчивается.

Из условия баланса заряда и разряда емкости интегросуммирующего усилителя 4 можно составить следующее уравнение:

56 6

Полагая R =R, уравнение (1) можно представить в следующем виде:

О„т,R, Brcè(å(ò)) nt-(ддд;-ед(.;jУчитывая, что ((t.==И T a$ =N

1 101 J J

Ja4 = NTo где То — период ГИ; (1 число импульсов ГИ, подсчитанных на интервале ь

У 1 — число импульсов, подсчитанных на интервале ь1 ; дУ вЂ” число импульсов, подсчитанных на интервале д1, а также то, что интервал Т задается подсчетом некоторого числа импульсов

ГИ Т, =NT, получим

Ц„т, L1,zan сй, где 2 д, суммарный интервал времени включения опорного источника+О,на интервале Т,; суммарный интервал вре— мени включения опорного источника — Ц на интеро вале Т интервал включения опорного источника, разряжающего интегратор по окончании Т до нуля.

25,ед1

00Ед "оat

+51сй(Е(Тдlj R < (f) 20

5? С М(Е(т,)) Р- ЕМ;-л:й, ) =

R,Uo (2)

Выражение (2) показывает, что преобразуемое напряжение прямо про,порционально алгебраической сумме чисел, являющихся результатом кодирования интервалов интегрирования опорных напряжений на интервале преобразования. Знак 0 (определяется по знаку разности

Е((-KN, +MICR(Å(() N

1202056 фи а. 1

1202056

Вагк. S

Фи х.2.

1202056

ВНИИПИ Заказ 8327 Тираж 871 Поднисное

Филиал ППП "Патент", r.Ужгород, ул.Проектная, 4