Комбинированный аналого-циффровой преобразователь

 

Изобретение относится к вычислительной технике, в частности к комбиi нированным аналого-цифровь1м преобразователям , и может быть использовано для преобразования напряжения постоянного тока в цифровой код. Целью изобретения является повышение, помехоустойчивости путем перехода в режиме слежения на тактирование реверсивного счетчика импульсами, формируемыми из сигнала помехи,, и формирования слова состояния АЦП, содержащего информацию об исправности преобразевателя, уровне выходной помехи, состоянии преобразователя в данный момент времени. Поставленная цель достигается введением в преобразователь блока выделения помехи, формирователя импульсов , коммутатора, второго триггео ра, элемента задержки, блока индикации неисправности. 4 шт., 1 табл. S (Л САЭ Oi 00 4 Р5 00

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК

„,SU„„1363468 (50 4 H 03 M 1/46

eL .ъ-„(ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К А BTOPCHOMV СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ (21) 4026511/24-24 (22) 25.02.86 (46) 30.12.87. Бюл. М- 48 (71) Уфимский авиационный институт им. Серго Орджоникидзе (72) А.И.Иванов и С.M.ßêîâëåâ (53) 681.325 (088.8) (56) Гнатек Ю.Р. Справочник по ЦАП и АЦП, 1982, с.410, рис. 5.79.

Шпяндин В.М. Цифровые измерительные устройства, 1981, с.322-323, рис.5. 12.,(54) КОМБИНИРОВАННЫЙ АНАЛОГО-ЦИФРОВОЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ (57) Изобретение относится к вычислительной технике, в частности к комби-. нированным аналого-цифровым преобразователям, и может быть использовано для преобразования напряжения посто- янного тока в цифровой код. Целью изобретения является повышение помехоустойчивости путем перехода в режиме слежения на тактирование реверсивного счетчика импульсами, формируемыми из сигнала помехи, и формирования слова состояния АЦП, содержащего информацию об исправности преобразавателя, уровне выходной помехи, состоя» нии преобразователя в данный момент времени. Поставленная цель достигается введением в преобразователь блока выделения помехи, формирователя импульсов, коммутатора, второго тригге- р. ра, элемента задержки, блока индикации неисправности. 4 нл., 1 табл.

1363468

Изобретение относится к вычислительной технике и автоматике и может быть использовано в цифровых системах автоматического управления динамическими объектами, в частности газотурбинными двигателями, для преобразования сигналов датчиков рабочих параметров в цифровой код.

Цель изобретения - повышение поме- 10 хоустойчивости.

На фиг.1.приведена структурная схема комбинированного аналого-цифрового преобразователя (АЦП); на фиг;2 схема блока выделения помехи (БВП) и 1Г формирователя импульсов; на фиг.3 схема блока индикации неисправности (БИН); на фиг.4 — временные диаграммы работы предлагаемого устройства.

Комбинированный АЦП содержит блок 20

1 сравнения, первый триггер 2, ре-.: гистр 3 последовательных приближений (РПП), реверсивный счетчик 4, цифроаналоговый преобразователь (ЦАП) 5, генератор 6 импульсов, БВП 7, формирователь 8 импульсов, коммутатора 9, элемент 10 задержки, второй триггер

11, БИН 12, входную шину 13, шину 14 запуска, шину 15 неисправности и выходную шину 16. 30

БВП 7 может быть реализован (фиг.2) на основе полосового фильтра путем каскадного соединения фильтров низкой (на усилителе 17) и высокой (на усилителе 18) частоты. Такая реализация полосового фильтра позволяет в полосе пропускания получить участок, имеющий плоскую фазочастотную характеристику (ФЧХ), причем на квазирезонансной частоте имеет место нулевой сдвиг. 40 .Полосовой фильтр настраивают таким образом, чтобы наиболее интенсивная, доминирующая помеха приходилась на плоский участок ФЧХ. Квазирезонансная частота полосового фильтра должна быть выбрана несколько большей, чем частота доминирующей помехи. При этом фазовый сдвиг полосового фильтра, будучи близким к нулю, имеет положительный знак, что позволяет компенси- бр ровать запаздывание, вносимое последующими блоками. Доминирующими помехами,. оказывающими наибольшее влияние на точность преобразования АЦП в системах цифрового управления, являются в большинстве случаев наводки от питающей сети переменного тока с частотами 50 Гц в промьппленных установках и 400 или 1000 Гц в .бортовых системах управления летательных аппаратов.

Выделенная помеха из БВП 7 поступает на вход формирователя 8 импульсов, состоящего из триггера Шмитта

19, дифференцируюшей цепи 20, ключей на транзисторах 21 и 22, инвертора

23, элемента ИЛИ-НЕ 24 и одновибратора 25. Триггер Шмитта формирует из отфильтрованного сигнала помехи прямоугольные импульсы с крутыми фронтами. Величина гистерезиса выбирается не более одного кванта АЦП, что обеспечивает помехоустойчивость при определении момента пересечения помехой нулевого уровня при незначительном снижении точности, Дифференцирующая цепь выделяет фронты импульсов триггера Шмитта, а ключи формируют короткие импульсы в виде "0", необходимые для запуска одновибратора. Одновибратор вырабатывает нормированные по длительности и амплитуде импульсы, необходимые для тактировки АЦП после переключения в режим синхронизации от помехи.

БИН 12 (фиг.3) содержит элемент

26 задержки, вход которого подключен к первому входу БИН 12, а выход — к

его выходу. БИН 12 в общем случае может содержать несколько выходов, сигналы которых составляют линии шины 15 слова состояния, .В схеме реализации БИН 12 на фиг.3 предлагаемого комбинированного АЦП шина неисправности АЦП состоит из трех линий, которым соответствуют следующие сигналы.

Сигнал первой линии есть сигнал конца поразрядного уравновешивания (КПУ) .

Сигнал второй линии (КПУ ) есть сигнал КПУ, задержанный на время ". с помощью элемента 26 задержки. Сигнал третьей линии шины неисправности (KIIrxoM) есть сигнал конца преобразо--. вания по помехе, т.е. сигнал переключения тактировки от помехи.

Устройство работает следующим образом.

После прихода импульса запуска по

l шине 14 запуска РПП 3 устанавливается в начальное положение. При этом на втором выходе РПП 3 устанавливается сигнал "0" который по третьему входу переводит реверсивный счетчик 4 в режим записи параллельного кода с первого выхода РПП 3. Одновременно запускающий импульс устанавливает второй триггер 11 в нулевое состояние, з 13634 по которому коммутатор 9 подключает с к тактовым входам РПП 3 и реверсивного счетчика 4 выход генератора 6 импульсов. С приходом первого после запуска тактового импульса с выхода генератора 6 импульсов РПП 3 начинает выполнять алгоритм поразрядного уравновешивания. Цифровой код поразрядного уравновешивания формируется Hà 1ð первом выходе РПП 3 и транслируется через реверсивный счетчик 4 на вход

ЦАП 5, который вырабатывает компенсирующий сигнал обратной связи U (фиг.4а), сравниваемый блоком 1 срав- 15 нения с входным сигналом. Сигналы блока 1 сравнения фиксируются по фронту тактовых импульсов в первом триггере 2 и переписываются в РПП 3 с. задержкой, определяемой элементом 10 2р задержки и необходимой для завершения переходных процессов в первом тригге ре 2. После окончания поразрядного уравновешивания на первом выходе РПП

3 устанавливается полноразрядный код 25 преобразования, а на втором выходе появляется сигнал "1" (момент „ на фиг.4д), по которому реверсивньй . счетчик 4 переключается в режим счета, начиная с кода поразрядного урав. — jp новешивания. Начинается режим следящего уравновешивания с тактовой частотой, определяемой генератором 6 импульсов (фиг.4а). В момент t < происходит первое после окончания поразрядного уравновешивания пересечение помехой нулевого уровня (фиг.4б). При этом формирователь 8 импульсов вырабатывает импульс, по фронту которого сигнал 1 1 (сигнал конца поразрядного 4р уравновешивания), с первого входа второго триггера 11 переписывается на

его выход. Сигнал "1" с выхода второго триггера 11 переключает коммутатор

9 в положение, при котором на его выход передаются импульсы формирователя

8 импульсов.

Таким образом, с момента t g тактовая частота преобразователя равна удвОенНОИ часТОТе ДОМинирующеи пОме- 5р хи, вьделенной в БВП 7 (фиг.4г) . Известно, что при дискретизации сигналов с частотой F, спектр выходного дискретизированного сигнала не содержит гармоническую составляющую входного сигнала с частотой Р/2 и все

rapMoHHKH с частотами F (- + К) rpe

К=О, 1,2.... Это свойство дискрети68 зированных сигналов позволяет в предлагаемом АЦП полностью подавить детерминированную помеху, на которую настроен полосовой фильтр БВП 7, так как тактовая частота равна удвоенной частоте этой помехи, т.е. коэффициент передачи АЦП для частоты выделенной помехи равен нулю.

С другой стороны, в режиме слежения АЦП динамически подобен фильтру низких частот с частотой среза, определяемой тактовой частотой ч сР 2А

Ь ) где q — квант АЦП; — максимальное значение входного сигнала.

Поэтому при переключении с высокой тактовой частоты генератора 6 импульсов на тактирование от достаточно низкочастотной сетевой помехи имеет место сужение полосы пропускания АЦП. Это приводит к повышению фильтрующих свойств преобразователя в следящем режиме для всех помех, спектр которых лежит выше частоты доминирующей помехи, причем последняя в идеальном случае (при отсутствии фазового сдвига) полностью подавляется.

Следует отметить, что температурная и временная нестабильность коэффициента передачи и фазового сдвига полосового фильтра БВП 7 оказывает весьма незначительное влияние на точность определения момента перехода помехи через нуль. Это обусловлено тем, что погрешность определения момента перехода помехи через нуль практически не зависит от коэффициента передачи фильтра при достаточной амплитуде сигнала на выходе фильтра, а определяется лишь нестабильностью фазового сдвига. Однако так как частота помехи располагается на плоском участке WX полосового фильтра то вариации фазового сдвига незначительны.

Наоборот, в тех АЦП, у которых для повышения помехоустойчивости используется ФНЧ, включаемый непосредственно на входе, имеет место значительное влияние нестабильности коэффициента передачи на точность преобразования,. а инерционности фильтра — на динамическую погрешность.

Для предлагаемого комбинированного

АЦП максимальное время преобразова136 468

1 ния, определяемое от момента запуска до момента получения отфильтрованного от помехи выходного кода, равно половине периода помехи (без синхро 5, низации запуска по помехе) . Это более чем в два раза меньше по сравнению с

АЦП двухтактного интегрирования, Комбинированный АЦП характеризуется широкими функциональными возможно- 10 стями и предоставляет потребителю цифровых кодов преобразования информацию о состоянии АЦП в текущий момент времени, характеристиках входной помехи и степени достоверности цифрового 15 кода в процессе преобразования. Такую. информацию потребитель получает из совокупности сигналов, вырабатываемых

БИН 12.

Минимальный состав линий шины не- 2р исправности, при котором имеет место значительное расширение функциональных возможностей предлагаемого АЦП, равен трем линиям, содержащим сигналы

КПУ, КПпом и КПУ . Последний сигнал 25 прогнозирует момент получения достоверного кода в случае. отсутствия помехи, для чего задержка выбирается равнои ""(Тпом ср 2+1 » где Т ом. со среднее значение периода помехи; h — - 3р максимальное возможное приращение периода помехи.

Появление сигнала КПУ означает, что в течение ожидаемого интервала 2 не произошло переключения на тактировку от помехи, поэтому можно считать, что помеха практически отсутствует и, кроме того, что процесс получения точного кода завершен. Та-: ким образом, потребитель может по 4р своему выбору использовать либо один из этих сигналов при считывании кода

АЦП, либо анализировать полное трех разрядное слово состояния АЦП, дающее. восемь различных комбинаций, которые . 45 приведены в таблице. Рассмотрим некоторые конкретные значения слова состояния. Словам состояния 001, 010, 011, как видно из таблицы, соответствует неисправное состояние АЦП. Это 5р обусловлено нарушением причинно-следственных связей между последовательностью появления сигналов КПУ, КПУ С и КПпом в приведенных комбинациях слова состояния, в частности "1" в линиях КПУ и КПпом не может появиться раньше, чем "1" на выходе КПУ.

Значению слова 110 соответствуют исправное состояние устройства (КПУ=1) и отсутствие помехи на входе, так как задержанный на время 2 сигнал

КПУ " =1 имеет место, а сигнал помеху, устанавливающий КПпом, не появился, т.е. равен О. Аналогичным образом можно провести анализ других комбинаций сигналов слова состояния АЦП.

По сравнению с известным предлагаемый комбинированный АЦП благодаря введению БВП, формирователя импуль сов, коммутатора, элемента задержки, второго триггера, блока формирования слова состояния, шины запуска и шины слова состеяния имеет более высокую помехоустойчивость и более широкие функциональные возможности. Повышение помехоустойчивости комбинированного

АЦП достигается за счет отслеживания входного сигнала при тактировании высокой тактовой частотой до момента пересечения помехой нулевого уровня и переключения в этот момент на тактировку от импульсов, .сформированных из сигнала помехи в моменты перехода помехи через нуль. При этом имеет место сужение полосы пропускания следящего АЦП, что позволяет фильтровать помехи всех видов, начиная с частоты сетевой помехи. Сама сетевая помеха автоматически попадает в такую точку амплитудно-wacTosHof3 характеристики

AI3I для которой модуль частотной характеристики следящего АЦП равен нулю, поэтому предлагаемый АЦП обладает свойством адаптации к помехам, спектр которых лежит в рабочем диапазоне частот -блока выделения помехи.

Формула изобретения

Комбинированный аналого-цифровой преобразователь, содержащий блок сравнения, первый вход которого является входной шиной, второй вход соединен с выходом цифроаналогового преобразователя, а выход подключен к первому входу первого триггера, выход которого соединен с информационным входом регистра последовательных приближений и управляющим входом реверсивного счетчика, информационные входы которого соединены с информационными выходами регистра последовательных приближений соответственно, счетный вход которого объединен со счетным входом реверсивного счетчика, выходы которого являются выходной шиной и соединены с соответствующими

»»

Характеристика помехи

Выходные коды ВИН 12

КПУ KIIy 4 КПпом

Состояние устройства

Возмож» ность считы» вания кода

Достоверность (точность) результата преобразования

Неготово, идет преобразование

Нет

Неисправно

Неисправно

Неисправно

Узлы, реа- Да лизующие ПУ, исправны

Низкая

Помеха с.ам- Высокая плитудой- ъ 1 кванта в по0

Исправно Да лосе пропускания фильтра

Помеха мала Высокая либо отсутствует

Исправно Да

Помеха с ам- Высокая плитудой ) 1 кванта в полосе пропускания фильтра

Исправно Да

7 13634 входами цифроаналогового преобразователя, генератор импульсов, о т л и— ч а ю шийся тем, что, с целью повышения помехоустойчивости, в него введены блок выделения помехи, формирователь импульсов, коммутатор, элемент задержки, второй триггер и блок индикации неисправности, первый вход объединен с входом разрешения записи 10 реверсивного счетчика и первым входом второго триггера и подключен к выходу "Конец преобразования" регистра пос ледовательных приближений, вход запуска которого является шиной запуска у и соединен с вторым входом второго триггера, третий вход которого объе68 8 динен с первым информационным входом коммутатора и подключен к выходу формирователя импульсов, вход которого соединен с выходом блока выделения помехи, вход которого является, входной шиной, а выход второго триггера подключен к управляющему входу коммутатора и второму входу блока индикации неисправности, второй информационный вход коммутатора объединен с вторым входом первого триггера и соединен с выходом генератора импульсов, а выход через элемент эадеркки подключен к счетному входу регистра последовательных приближений.

1363468

Риг.2

13б3468

Составитель В.Махнанов

Техред И.Дидык Корректор В. Гирняк

Редактор А.Огар

Заказ 6379/53 Тираж 900 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

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

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