Интегрирующий аналого-цифровой преобразователь

 

Изобретение относится к области импульсной техники, в частности к интегрирующим преобразователям напряжения 13 цифровой код, и может быть использовано в прецезионных устройствах сбора аналоговой информации систем контроля и управления технологическими процессами. Изобретение позволяет . повысить точность преобразования за счет того, что в устройство, содержащее интегратор, выполненньй на операционном усилителе с интегрирующим конденсатором, нуль-орган, копенсирующую цепь, состоящзда из резистора и конденсатора, ключи, триггеры, одновибратор, формирователи и генератор импульсов, счетчик, элементы И, ИЛИ и блок управления, введены аналоговый инвертор, компаратор и блок коррекции , благодаря которым в устройстве проводится настройка конденсатора компенсационной цепи, что позволяет при преобразовании компенсировать ток заряда абсорбционного конденсатора, за счет чего устраняются погрешности от абсорбционного эффекта интегрирующего конденсатора и повышается точность преобразования. 3 з.п. ф-лы, 5 ил. (5 сл IND О Од ;о

СОЮЗ СОВЕТСНИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК

ÄÄSUÄÄ 1279069

А1 (5и 4 Н 03 М 1/52

l3

OllHCAHNE ИЗОБРЕТЕНИЯ

К А BTOPCHOMV СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТИЙ (21) 3898415/24-24 (22) 17. 05.85 (46) 23.12.86. Бюл. ¹ 47 (71) Всесоюзный научно-исследовательский институт электромеханики (72) А.И.Воителев и Л.М.Лукьянов (53) 681.325 (088.8) (56) Метрология, 1984, № 10, с. 42.

Авторское свидетельство СССР

N- 657608, кл. Н 03 К 13/18, 1974. (54) ИНТЕГРИРУЮЩИЙ АНАЛОГО-ЦИФРОВОЙ

ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ (57) Изобретение относится к области импульсной техники, в частности к интегрирующим преобразователям напряжения в цифровой код, и может быть использовано в прецезионных устройствах сбора аналоговой информации систем контроля и управления технологическими процессами. Изобретение позволяет повысить точность преобразования за счет того, -что в устройство, содержащее интегратор, выполненный на операционном усилителе с интегрирующим конденсатором, нуль-орган, копенсирующую цепь, состоящую из резистора и конденсатора, ключи, триггеры, одновибратор, формирователи и генератор импульсов, счетчик, элементы И, ИЛИ и блок управления, введены аналоговый инвертор, компаратор и блок коррекции, благодаря которым в устройстве проводится настройка конденсатора компенсационной цепи, что позволяет при преобразовании компенсировать ток заряда абсорбционного конденсатора, за счет чего устраняются погрешности от абсорбционного эффекта интегрирующего конденсатора и повышается точность преобразования. 3 з.п. ф-лы, 5 ил.

1279069

Изобретение относится к импульсной технике, в частности к время-импульсным преобразователям в цифровой код с двойным интегрированием.

Целью изобретения является повышение точности за счет уменьшения влияния температурной 1 естабильнасти абсорбцианной емкости интегрирующего конденсатора.

На фиг.1 представлена схема предлагаемого АЦП; на фиг.2-4 — варианты выполнения компаратора, блока коррекции и блока управления; на фиг.5 временная диаграмма работы преобразователя.

Устройство содержит шины 1 и 2 входного и опорного напряжений, с первого па девятый ключи 3- li, у которых при отсутствии сигнала на управляющем входе вход и выход разомкнуты

20 и они замыкаются при наличии управляющего сигнала, операционный усилитель 12, нуль †орг 13, компаратор

14, аналоговый инвертор 15, накопительные элементы, выполненные на первом 16 и втором 17 конденсаторах, блок 18 коррекции, токоограничивающие элементы на первом 19 и втором

20 резисторах, с первого по четвертый триггеры 21-24, одновибратор 25, с

ЗО первого по третий формирователи 2628 импульсов, первый 29 и второй 30 элементы И, с первого по четвертый элементы ИЛИ 31-34, генератор 35 импульсов, счетчик 36 импульсов, блок

37 управления, шины отрицательного

38 и положительного 39 напряжения ,питания и выходные шины 40.

Компаратор 14 содержит первый 41 и второй 42 нуль-органы, положительный 43 и отрицательный 44 источники смещения с напряжением, меньшим

2

- A, первый 45 и второй 46 триггеры,. первый 47 и второй 48 элементы И,.

Блок l8 коррекции содержит реверсивный счетчик 49, накопительные элементы на конденсаторах 50, ":-50.п, переключатели 51.1 — 51 и, у которых при отсутствии сигнала на управляющем входе первый выход замкнут с вхоцом, а при наличии управляющего сигнала второй выход замкнут с входом.

Блок 37 управления содержит счетчик 52, генератор 53 импульсов„ формирователь 54 импульсов, первый 55 и второй 56 триггеры. инвертор 57, первый 58 и второй 59 эл:ементы И, первый 60, третий 61 и второй 62 эле.енгы ИЛИ, элемент 63 задержки, шины

"."к.н; с.-п е питания" 64, "Пуск" 65 и

"Готовность" 66.

На временной диаграмме (фиг.5) обозначены: 67 — сигнал пуска АЦП в работу; 68 — импульс переполнения счетчика 52; 69 — 73,74 и 75 — сигналы с единичных выходов триггеров соответственно 21-24,45-55 и 56;

76 — сигнал переключения конденсаторов 50 в блоке 18; 77 — импульс пе— реполнения счетчика 36; 78 — сигнал нулевого выхода компаратара 14; 79 сигнал на выходе нуль-органа 13;

80 — выходной сигнал одновибратора

25; 81-83 — выходные сигналы формирователей импульсов соответственно

26-28; 84 и 85 — сигналы на выходах инвертора 57 и элемента ИЛИ 61; 86 и 87 — импульсы на четвертом и пер-. вом выходах блока 37; 88 — сигнал

"Готовность".

Предлагаемый аналого-цифровой преобразователь (АЦП) работает следующим образом.

По сигналу включения питания АЦП элемент 63 задержки блока 37 поддерживает нулевой уровень выходного сигнала на время нарастания питающих напряжений и тем самым устанавливает в "0" с первого па седьмой триггеры

21-24, 45,46,55 и счетчик 52. По выходному сигналу 68 переполнения последнего, возникающему при подсчете импульсов ат генератора 53, начинается такт настройки Т. Каждый из этих сигналов устанавливает в "1" триггер

55 (сигнал 75) и через элемент ИЛИ

61 запускает формирователь 54, выход-, ной сигнал которого проходит через элемент И 59 на четвертый выход бло— ка 37 (сигнал 86) и устанавливает в

"0" триггер 56 и в ",1" триггер 24 (сигнал 72). Этот сигнал замыкает ключи 7 и 11 и, проходя через элемент HJIN 60 на вход инвертора 57, устанавливает выходной нулевой сигнал

84 последнего и размыкает ключ б.

Сигнал с нулевогс выхода триггера 24 запускает формирователь 26, имеющий выходной сигнал 81, который, в свою очередь, запускает одновибратор 25 (сигнал 80) и через элемент ИЛИ 34 замыкает ключ 10,, Поэтому конденсатор

16 заряжается до отрицательного напряжения источника 38 питания. После окончания сигнала 81 ключ 10 размы1279069

25 зуются для изменения величины емкости конденсатора 17. Для исключения дополнительных погрешностей это изменение проводится после выполнения такта Т разряда конденсаторов 17 и С<,.

Такт Тр начинается с установки в 0" триггера 24 и в "1" триггера 23 импульсом 82, проходящим через элемент ИЛИ 32. Сигнал 71 с единичного выхода триггера 23 замыкает ключи 8, 9

55 кается, ключи 5 и 8 также разомкнуты, поэтому к цепи, состоящей из последовательно соединенных конденсаторов

16, 17 и резистора 20, приложено напряжение источника 38 питания и напряжение противоположной полярности с выхода инвертора 15, а точка соединения конденсаторов имеет нулевое напряжение и через ключ 11 подсоединена к входу компаратора 14.

В течение времени Т происходит н заряд конденсатора 17 и абсорбционного конденсатора С„. Если величины емкостей этих конденсаторов отличаются, то возникающая разность токов перезаряжает конденсатор 16. Изменение напряжения на этом конденсаторе определяется с помощью компаратора

14, в котором входной сигнал подает— ся на неинвертирующий и инвертирующий входы нуль †орган 41 и 42, вторыми входами подключенных к источникам положительного и отрицательного смещения, величины напряжений которых выбираются меньшими кванта АЦП.

Если за время Т на конденсаторе н

16 напряжение изменилось на величину, I большую этого смещения, то на выходе одного из нуль-органов 41 или 42 будет единичный сигнал. Это означает, что конденсаторы 17 и С отличаются на недопустимую величину, которая при выполнении преобразования может вызвать дополнительную погрешность, большую кванта, и требуется настройка 3 величины конденсатора 17. Его увеличение или уменьшение зависит от того, на выходе какого из нуль-органов 41 или 42 присутствует единичный сигнал.

Эти сигналы подаются на первые входы элементов И 47 и 48, на вторые входы которых поступает. стробирующий импульс 82 формирователя 27. По этому импульсу осуществляется запись состояния нуль-органов 41 и 42 в тригге- ры 45 и 46, выходные сигналы которых

"Больше" 73 и "Меньше" затем испольи через элемент ИЛИ 34 — ключ 10.

Конденсатор 16 перезаряжается до по-. ложительного напряжения источника 39 питания, на выходе инвертора 15 устанавливается отрицательное напряжение, Конденсаторы 17 и С д начинают разряжаться. Этот процесс заканчивается по окончании сигнала 78 с нулевого выхода компаратора 14 (выход нуль-органа 41), когда напряжение на конденсаторе 17 становится меньше кванта.

По заднему фронту сигнала 78, проходящему через элементы ИЛИ 33 и И 30, устанавливается в "0" триггер 23.

Сигнал 71 с его единичного выхода своим задним фронтом устанавливает в

"0" триггеры 45 и 46. Если один из них был в "1", то, переключаясь в

0, он изменяет (увеличивает или уменьшает) состояние реверсивного счетчика 49 на единицу и тем самым изменяет величину общей емкости конденсаторов 50.1-50.п и блока коррекции на величину С, равную емкости конденсатора 50.1, относящегося к младшему разряду счетчика 49. Выходы разрядов этого счетчика управляют переключателями 51, которые при наличии единичного сигнала на управляющем входе подсоединяют соответствующие конденсаторы 50.1-50.п к выходу блока

18 коррекции, т.е. увеличивают его общую емкость, которая определяется. ,кодом, записанным в счетчике. При

1 ! нулевом сигнале переключатели 51 закорачивают соответствующие конденсаторы 50.1-50.п. Величины емкостей конденсаторов 50.1-50.п распределены по двоичному закону от младшего разряда к старшему. Величина емкости младшего разряда выбирается с учетом величин С, его температурного дрейфа F и требуемой точности.

Таким образом, при наличии сигнала "Больше" на выходе компаратора 14 код счетчика уменьшается и величина общей емкости блока 18 коррекции уменьшается, при сигнале "Меньше", наоборот, его величина увеличивается.

Если же за Т„ на выходе нуль-органов

41 и 42 сигнала "1" не было, то триггеры 45 и 46 находятся в "0" и сигнал

71 не вызывает их переключения, величина емкости блока 18 коррекции остается без изменения до следующего такта Т„.

После включения питания АЦП необходимо время для прогрева элементов

1279069 схемы и выхода на установившийся режим, когда выполняется настройка конденсатора 17 в соответствии с величиной С . В дальнейшем период повторе. а ния Т1 практически может составлять единицы минут и более и может задаваться частотой генератора 53 и объемом счетчика 52 импульсов.

По окончании тактов Т и Т, а н также выполнения изменения величины 10 емкости блока 18 коррекции (сигнал

76), в преобразователе может начинаться преобразование. Если сигнал 67 пуска АЦП в работу пришел во время выполнения тактов Т, или Тр, то он 15 .Мапоминается триггером 55, выходной единичный сигнал 74 которого через элемент ИЛИ 62 формирует сигнал 88 ответа о работе АЦП и разрешает работу элемента И 58. Формирователь 54 20 запускается в работу только по окончании сигналов Т„ и Т, а при отсутствии их — сразу по сйгналу "Пуск".

Импульс этого формирователя проходит через элемент И 58, устанавливает в

"0" триггер 55 и поступает на выход блока 37. Этот сигнал 87, являюшийся началом преобразования, устанавливает в "1" триггер 21, который выходным сигналом 69 замыкает ключ 5 и 30 включает генератор 35, а также размыкает ключ 6, проходя через элементы

ИЛИ 31 и 60 и инвертор 57. Начинается такт Т, интегрирования U» длительность которого определяется емкостью З5 счетчика 36. По сигналу 77 переполнения.этого счетчика заканчивается Т и начинается Т„, триггер 21 устанавливается в "0", триггер 22 — в "1".

Последний с единичного выхода сигнала 70 замыкает ключ 4, подключая U, 1к интегратору, через элемент ИЛИ 31 поддерживает замкнутым ключ 5 и разрешает работу элемента И 29, через который снятие единичного сигнала 79 45 нуль-органа 13 при появлении нулевого уровня на выходе усилителя 12 устанавливает в "0" триггер 22 и через элемент ИЛИ 32 — в "1" триггер 23.

Преобразование заканчивается, в 50 счетчике 36 за Т получен результат х преобразования Х, передаваемый на р У шину 40, о чем информирует сигнал 88

"Готовность".

В АЦП начинается такт Т,, разряда 55 конденсаторов 17 и С для подготовки а выполнения нового преобразования. Если в течение Тр пРишел новый сигнал пуска АЦП в работу (как это показано на фиг.5), то преобразование начнется толька после окончания Т как г описано.

Для случая, когда за время выполнения преобразования конденсатор 17 заряжается на величину, не превышающую кванта, а на нулевом выходе компаратора 14 сигнал отсутствует, т.е. нет необходимости разряжать конденсаторы 17 и С, в схеме АЦП используется формирователь 28, по сигналу которого заканчивается Т,. Поэтому при переключении триггера 23 в начале Т а сигнал с его нулевого выхода запускает формирователь 28, выходной сигнал

83 которого проходит через элементы

ИЛИ 33 и И 30 и устанавливает в "0" триггер 23.

С этого момента все сигналы на входах элемента ИЛИ 60 отсутствуют, а инвертор 57 выдает единичный сигнал 84, замыкающий ключ 6, который закорачивает конденсатор 16 и поддерживает его в таком состоянии до прихода сигналов настройки или пуска

АЦП в работу.

В случае совпадения прихода этих сигналов они запоминаются триггерами

55 и 56 в блоке 37, а формирователь

54 запускается послецним отрицательным Сперепадом этих сигналов, т.к. они проходят через элемент ИЛИ 61 .(сигнал 85). Импульс этого формирователя проходит только через элемент

И 59 т.к. работа элемента И 58 запрещена сигналом с нулевого выхода триггера 56, и сначала выполняется настройка конденсатора 17 (такты Т и Т ), Н а затем преобразование входного сигнала (такты Т„ и Т ).

Так, как преобразование в АЦП в течение тактов Т и Т выполняется

)( при настроенной величине емкости конденсатора 17, равной емкости С, то абсорбционный ток конденсатора 16 непрерывно компенсируется током цепи, состоящей из резистора 20 и конденсатора 17, а учитывая, что благодаря настройке разность этих токов сводится к величине, которая за время преобразования не приведет в интеграторе погрешность к погрешности более кванта, то и в полученном результате погрешность от абсорбционного эффекта интегрирующего конденсатора, включая его временной и температурный дрейфы, не превысит кванта АЦП.

1279069

Ф о р м у л а и з о б р е т е н и я

1 . Инте грирующий аналого-цифровой преобразователь, содержащий первый и второй ключи, информационные входы которых являются соответственно шинами входного и опорного напряжений, а выходы объединены и через первый токоограничивающий элемент на резисторе подсоединены к первому входу

10 операционного усилителя, к входу третьего ключа и первому выводу первого накопительного элемента, выполненного на конденсаторе, второй вывод которого соединен с выходами третьего, четвертого и пятого ключей, первый вывод первого конденсатора объединен с первым выводом второго накопительного элемента, выполненного на конденсаторе, второй вывод которого подключен к входу шестого ключа и к первому выводу второго токоограничивающего элемента на резисторе, нуль-орган, вход которого соединен с входом четверто25 го ключа и подключен к выходу операционного усилителя, второй вход которого объединен с входом седьмого ключа и является общей шиной, восьмой ключ, вход которого и вход пятого ключа являются соответственно шинами положительного и отрицательного напряжений питания, первый и второй триггеры, единичные выходы которых подсоединены соответственно к.управляющим входам первого и второго клю- З5 чей и к входам первого элемента ИЛИ, выход которого соединен с управляющим входом четвертого ключа, единичный вход второго триггера объединен с нулевым входом первого триггера, 40 а единичный вход первого триггера подключен к первэму выходу блока управления, второй выход которого соединен с управляющим входом третьего ключа,. третий и четвертый триггеры, 45 единичный выход первого из которых подсоединен к управляющему входу шес того ключа и к первому входу блока управления, первый и второй формирователи импульсов, вход первого из ко- 50 торых соединен с нулевым выходом чет вертого триггера, первый элемент И, выход которого подсоединен к первому входу второго элемента ИЛИ, счетчик

1 импульсов, выходы которого являются 55 выходными шинами, и генератор импульсов, отличающийся тем, что, с целью повышения точности, в него введены компаратор, аналоговый инвертор, блок коррекции, одновибра-. тор, девятый ключ, третий формирователь импульсов, второй элемент И, третий и четвертый элементы ИЛИ, первый вход компаратора подсоединен к выходам шестого и девятого ключей, второй вход объединен с вторым входом второго элемента ИЛИ и нулевым входом четвертого триггера и подключен к выходу второго формирователя импульсов, третий вход компаратора объеди-. нен с управляющими входами шестого и восьмого ключей и с первыми входами четвертого элемента ИЛИ и второго элемента И, а четвертый вход объединен с входами установки в исходное состояние с первого по четвертый триггеры и подключен к третьему выходу блока управления, первый выход компа-. ратора подключен к первому входу третьего элемента ИЛИ, а второй и третий выходы — соответственно к первому и второму входам блока коррекции, первый выход которого соединен с входом шестого ключа, а второй выход объединен с выходом седьмого ключа и подключен к входам третьего и девятого ключей, выход аналогового инвертора подсоединен к второму выводу второго резистора, а вход — к выходам пятого и восьмого ключей, вход одновибратора объединен с вторым входом четвертого элемента ИЛИ и подсоединен к выходу первого формирователя импульсов, выход четвертого элемента

ИЛИ соединен с управляющим входом седьмого ключа, а выход одновибратора подсоединен к входу второго формирователя импульсов, управляющие входы пятого и девятого ключеи объединены с вторым входом блока управления и подключены к единичному выходу четвертого триггера, четвертый выход блока управления подключен к единичному входу четвертого триггера, вход третьего формирователя импульсов подсоединен к нулевому выходу третьего триггера, а выход — к второму входу третьего элемента ИЛИ, выход которого подключен к второму входу второго элемента И, выход которого подсоединен к нулевому входу третьего триггера единичный вход которого соединен с выходом второго элемента ИЛИ, вход генератора импульсов объединен с третьим входом блока управления и подсо единен к выходу первого элемента ИЛИ

12790б9 а выход — к первому входу счетчика импульсов, второй вход и выход переполнения которого соединены соответственно с единичными входами первого и второго триггеров, нулевой вход последнего из которых соединен с выходом первого элемента И, первый и второй входы которого соединены с выходом нуль-органа и единичным выходом второго триггера соответственно, 2. Устройство по п.1, о т л и— ч а ю щ е е с я тем, что компаратор выполнен на двух нуль-органах, двух триггерах, двух элементах ff и положительном и отрицательном источниках смещения, выходы которых подключены соответственно к первым входам первого и второго нуль †орган, вторые входы которых объединены и являются первым входом компаратора, выход первого нуль-органа подключен к первому входу первого элемента И и является первым выходом компаратора, выход второго нуль-органа соединен с первым входом второго элемента И, второй

Вход которого объединен с вторым входом первого элемента И и является вторым входом компаратора, третьим и четвертым входами которого являются нулевые и установочные входы первого и второго триггеров соответственно, единичные входы которых подключены к выходам первого и второго элементов И соответственно, а единичные выходы являются вторым и третьим выходами компаратора соответственно.

3. Устройство по п.1, о т л и— ч а ю щ е е и с я тем, что блок коррекции выполнен на реверсивном счетчике, переключающих элементах и накопительных элементах по числу разрядов счетчика, вычитающий и суммирующий входы реверсивного счетчика являются соответственно первым и вторым входами блока, а выходы соединены с соответствующими входами управления переключающих элементов, первые выходы которых Объединены и являются вторым выходом блока, первым выходом которого являются вторые выходы переключаюwax элементов и первые выводы накопи5

50 тельных элементов, вторые выводы которых подключены к входам соответствующих переключающих элементов.

4. Устройство по п.1, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что блок управления выполнен на генераторе импульсов, счетчике, инверторе, формирователе импульсов, элементе задержки, трех элементах ИЛИ, двух триггерах и первом и втором элементах И, выходы которых являются соответственно первым и четвертым выходами блока, первым и вторым входами которого явля1ются первый и второй входы первого элемента ИЛИ, третий вход которого объединен с первым входом второго элемента ИЛИ и является третьим входом блока, вторым выходом которого является выход инвертора, вход которого объединен с первым входом третьего элемента ИЛИ и подключен к выходу первого элемента ИЛИ, второй вход третьего элемента ИЛИ объединен с единичным входом первого триггера и является шиной Пуск, третий вход третьего элемента ИЛИ объединен с единичным входом второго триггера и подключен к выходу переполнения счетчика, счетный вход которого соединен с выходом генератора импульсов, а вход обнуления счетчика объединен с установочным входом первого триггера, соединен через элемент задержки с шиной Включение питания" и является третьим выходом блока, нулевые входы первого и второго триггеров подключены соответственно к выходам первого и второго элементов И, единичный выход второго триггера соединен с первым входом второго элемента И, а нулевой выход — к первому входу первого элемента И, второй вход которого объединен с вторым входом второго элемента И и подключен к выходу формирователя импульсов, вход которого соединен с выходом третьего элемента

ИЛИ, единичныи выход первого триггера подключен к третьему входу первого элемента И и второму входу второго элемента ИЛИ, выход которого является шинОЙ "ГОтОВнОсть" °

12790б9

1279069

Г

I !

1 !

f

I Го

I

I.

1-!

1 -в

1279069

Составитель Ю.Спиридонов

Техред А.Кравчук Корректор В.Бутяга

Редактор A. Ворович

Заказ 6854/58 Тираж 816

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Подписное

Производственно-полиграфическое предприятие, г. Ужгород, ул. Проектная, 4