Аналого-цифровой преобразователь с частотным преобразованием

 

Изобретение относится к импульсной технике, в частности к преобразователям напряжения в цифровой код с промежуточным преобразованием напряжения в частоту импульсов, и может быть использовано в устройствах сбора аналоговой информации различных систем контроля и управления технологическими процессами. Недостатком известного аналого-цифрового преобразователя (АЦП) является наличие погрешностей, возникающих при изменении частоты помехи, в течение длительности которой выполняется преобразование сигнала. Целью изобретения является повышение точности преобразователя за счет уменьшения влияния на результат преобразования этих погрешностей. АЦП содержит преобразователь напряжения в частоту импульсов с входным аналоговым переключателем, вычитатель с ключом, три счетчика, два триггера, блок синхронизации, одновибратор, элементы И, ИЛИ, генератор и формирователь импульсов, нуль-орган. Новым является введение триггера, двух одновибраторов и элементов И и ИЛИ, благодаря которым в АЦП исключено влияние на результат преобразования изменения времени измерения, которое задается от внешней синхронизации, и тем самым повышается точность АЦП. 1 з.п. ф-лы, 3 ил.

СОЮЗ СОВЕТСНИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК

„„SU„„1547066 (51)5 H 03 M 1/60

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Н A BTOPCHOMV СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР (21 ) 4442995 /24-2 4 (22) 14.04.88 (46) 28.02.90. Бюл. % 8 (71) Всесоюзный научно-исследовательский институт электромеханики (72) Л.M. Лукьянов и А.П. Телепин (53) 681.325(088.8) (56) Авторское свидетельство СССР

Р 1150769, кл. Н 03 М 1/60, 1983.

Авторское свидетельство СССР

Ф 1285600, кл. Н 03 М 1/60, 1985. (54) АНАЛОГО-ЦИФРОВОЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ

С ЧАСТОТНЫМ ПРЕОБРАЗОВАНИЕМ (57) Изобретение относится к импульсной технике, в частности к преобразователям напряжения в цифровой код с промежуточным преобразованием напряжения в частоту импульсов, и может быть испоиьзовано в устройствах сбора аналоговой информации различных систем контроля и управления технологическими процессами. Недостатком известного аналого-цифрового

Изобретение относится к импульс- ,ной технике, в частности к преобразователям напряжения в цифровой код с промежуточным преобразованием в частоту импульсов.

Цель изобретения — повышение точности преобразования.

На фиг. 1 изображена блок-схема предлагаемого аналого-цифрового преобразователя (АЦП); на фиг. 2— блок-схема блока синхронизации; на фиг. 3 - временные диаграммы работы

АЦП.

2 преобразователя (AIgI) является наличие погрешностей, возникающих при изменении частоты помехи, в течение длительности которой выполняется преобразование сигнала. Целью изобретения является повышение точности преобразователя за счет уменьшения влияния на результат преобразования этих погрешностей. АЦП содержит преобразователь напряжения в частоту импульсов с входным аналоговым переключателем, вычитатель с ключом, три счетчика, два триггера, блок синхронизации, одновибратор, элементы И, ИЛИ, генератор и формирователь импульсов, нуль-орган. Новым является введение триггера, двух одновибраторов и элементов И и ИЛИ, благодаря которым в АЦП исключено влияние на результат преобразования изменения времени измерения, которое задается от внешней синхронизации, и тем самым повышается точность АЦП. 1 s,ï. ф-лы, 3 ил.

Аналого-цифровой преобразователь (АЦП) содержит входные шины 1 и 2 преобразуемого и опорного напряжений соответственно, шину 3 синхронизации, шину 4 запуска АЦП в работу, аналоговый переключатель 5 и ключ 6, вычитатель 7, преобразователь 8 напряжений в частоту импульсов, первый 9, второй 10 и реверсивный 11 счетчик, триггеры 12-14 такта, цикла и синхронизации соответственно, формирователь

15 импульсов, генератор 16 импульсов, нуль-орган 17, первый 18, второй 19

1547066 н третий 20 одновибраторы, с первого. по девятый элементы И 21-29, с первого по четвертый элементы ИЛИ 30-33, блок 34 синхронизации, выходную шину

35 готовности результата преобразования, выходную шину 36 результата преобразования.

Блок 34 синхронизации выполнен на вычитающем счетчике 37, регистре 38, формирователе 39 импульсов, одновиб° ° торе 40, элементе И 41 и элементе

42.

° °

На временных диаграммах работы обозначены: ф3 — выходной импульс 15 дновибратора 18; 44 — выходные им«тульсы нуль-органа 17; 45, 46 и 47сигналы на "1" выходах триггеров 12, 13 и 14 соответственно; 48 и 49— сигналы на выходах элементов И 25 и 20

24, 50 и 51 — сигналы на выходах лементов ИЛИ 33 и 32 °

Аналого-цифровой преобразователь (АЦП) работает следующим образом.

Ф

По сигналу запуска АЦП в работу, 25 поступающему по шине 4, одновибратор

18 формирует сигнал выходной импульс

43, который устанавливает в "0" счетчики 9 и 11 и триггеры 14 и 13 (через элемент ИЛИ 32) и в "1" триггер 3р

12. Сигнал запуска АЦП приходит перед, сигналами синхронизации на шине 3, по которым нуль-орган 17 формирует выходные импульсы 44, формирующие время измерения входного сигнала,,равное Т„ = 2q, где 1,,.— период повторения этих импульсов.

Первый импульс 44, проходя через элемент И 26, устанавливает "1" в триггере 13 и, поступая на счетный вход триггера 14, устанавливает "1" в последнем (сигнал 47). С этого мо" мента начинается первый такт Т, работы АЦП. Сигнал 46 с "1"-выхода триггера 13 разрешает работу элементов

И 27 и 22, через первый из которых на вход счетчика 11 поступают импульсы f SU „ с выхода преобразователя 8, так как переключатель 5 по сигналу 45, поступающему íà его вход, подключает сигнал U< через второй. элемент И 22 и элемент ИЛИ 30, в результате чего на вход счетчика 9 IIo» ступают импульсы 1 формирователя 15.

Импульсы Йф, возникают при переключении в "0" старшего разряда счетчика 10, т.е. при его переполнении от подсчета импульсов генератора 16, имеющего частоту f = N f, (в No раз более высокую по сравнению с прототипом) .

Так как сигнал 45 запрещает прохождение импульсов fy, через элемент

ИЛИ 31 и разрешает их прохождение через элемент И 29, то с выхода последнего они устанавливают "1" в старшем разряде счетчика 10 с емкостью 2N,. Поэтому переполнение счетчика 10 будет происходить через

N, импульсов f, а частота повторения импульсов Г,р будет равна f/N

Эти импульсы используются в блоке

34 для измерения длительности Т

При этом в нем формируется код N =

= 2No — Nc где 2N — емкость счетчика 37, а N = T

1 возможной записи неверного кода N g во время переходного процесса в счетчике 37 осуществляется запуск одно- вибратора 40, выходной импульс которого, объединяясь с fq в элементе

ИЛИ 42, сдвигает момент записи кода

N в регистр на время, большее времени переходного процесса в счетчике

37. Запись кода Nq будет выполняться только в первом такте Т„ работы

АЦП„ так как в это время сигнал с

"0"-выхода триггера 12 отсутствует и импульсы проходят через элемент

ИЛИ 42 (в дальнейшем этот элемент из работы выключается).

За время Т, т.е. в течение длительности сигнала 48, импульсы f с выхода элемента И 25 проходят через элементы И 27 и 21 на счетный вход второго младшего разряда счетчика 9, сформировали бы в нем код х „ = 2T f „. Ho одновременно с f„ на счетный вход младшего разряда счетчика 9 поступают импульсы f которые проходят через элементы И 22 и

ИЛИ 30 и далее через элемент И 28 на выход управления вычитанием счетчика 9. За время Т количество этих импульсов будет равно T f y,, поэто5 15470 му в счетчике 9, имеющем емкость 2N, будет получен код х „„= 2Ио — Тс,f< +

+ 2T fx ()беспечение правильной работы счетчика 9 в случаях совпадения

5 импульсов f< и f осуществляется при помощи одновибраторов 19 и 20 и элементов И 23 и 28. С каждым импульсом

Е„запускается одновибратор 19, сиг нал с "0"-выхода которого запрещает прохождение импульса через элемент.

И 28, а сигнал с "1"-выхода разрешает работу элемента И 23. При совпадении импульсов 1„ и f „ïoñëåäíèH проходит через элемент И 23 и запускает одновибратор 20, выходной сигнал которого объединяется в элементе ИЛИ 30 с импульсом 1ф,и удлиняет его, в результате чего в счетчике 9 сначала выполняется суммирование импульса f„, 20 а затем уже вычитание импульса f .

После окончания сигнала 48 в счетчике 9 до окончания сигнала 45 бу-,дет происходить суммирование импуль- 25 сов f, так как элемент И 28 выключен из работы. Этот подсчет импульсов закончится при переполнении счетчика

9 и фиксации в нем кода "0", по которому сигнал 50 в элементе ИЛИ 33 сни- 30 мается, в результате чего устанавливается в "0" триггер 12. За это время, т. е. за время Т q, на вход счетчика 9 поступит х, импульсов f,: х1 = т, ф„.2Мо x„, = Т,Ю< - 2Tcfx

Т„= Т (1 — 2 — ).

fõ

Ф о

Снятие сигнала 45 в элементе И 24 40 формирует сигнал 49, который с помощью ключа 6 подключает сигнал U на вход вычит1ателя 7. его выходной сигнал U< =

= U — 0„ подается с помощью аналогового переключателя 5, на управляющем 45 входе. которого сигнал 45 отсутствует; на вход преобразователя 8, формирующего частоту f g = S(U 0- Пх).», Сигнал с "0"-выхода триггера 12 в 50 счетчике 11 включает режим вычитания, в результате чего импульсы fq будут уменьшать полученный в нем sa Т, код

N = SU (Т + Т ) ° Это будет выполнятьх ся в течение второго такта Т работы 55

AINT который заканчивается по третьему импульсу 44, устанавливающему в

"1" триггер 14 (сигнал 47). При снятии сигнала 45 выключается из работы

66 6 элемент И 29 и включается в работу элемент ИЛИ 31, через который импульсы с выхода формирователя 15 осуществляют запись в счетчик 10 кода N иэ блока 34. Это приводит к тому, что частота f4, будет изменена íà f +

1 т

f †- П - = — . Импульсы f постуо о Nc 2 пают на счетчик 9, где суммируются.

За время длительности сигнала 49, õ которая равна Т = Т - Т, 2Т—

1 — — в счетчике 11 будет формирохм ван код ЛИ = N7 N7 где N< = S(U

U ) —, а в счетчике 9 — код х < = х„ х

x„No,Т f = — f ф = х —. Величина х

1 4 fe 1 rlN

1 с представляет собой предварительный результат преобразования х„, скорректированный в соответствии с изменением Т, представленным И . После окончания сигнала 49 начинается третий такт Т работы АЦП, в котором U„ отключается от вычитателя 7 и с его выхода напряжение U подается на I преобразователь 8, вырабатывающий импульсы f = SUO. Импульсы fç продолжают уменьшать код dN в счетчике

11 до нуля за время Ò, т.е. ДИ = йМ S зT3,откуда Tз (U „(T

3 3

+T) (О 0)Т2) — "2Т Т е

В момент возникновения кода "0" в счетчике 11 снятие выходного сигнала 51 в элементе ИЛИ 32 устанавливает ".0" в триггере 13, т.е. заканчивается третий такт ТЗ работы АЦП и преобразование АЦП, в результате чего на шине 36 устанавливается окончательный результат преобразования, о чем передается информация по шине 35 сигналом 46.

Если к окончанию Т в счетчике 11 находится код "0", то сигнал 49 через элемент ИЛИ. 32 также устанавливает в "0" триггер 13, в результате чего преобразование заканчивается без выполнения Т

Результат преобразования Х формируется в счетчике 9, на вход которого

s течение Т > поступают импульсы fq

1547066 корректирующие нахОДящийся в HBM предварительный результат х2 . Число этих импульсов за Т3 будет равно х3

Т3f . поэтому окончательный резуль3 Ф1Ф тат преобразования равен

Ох х ° х +х — 2N

2 3 и., где д- квант АЙП.

В АПП для правильной раббты вычитателя 7 и преобразователя 8 на1 пряжение U должно быть в два раза

1 (как в прототипе) больше максимального сигнала U„ e. U 0 20 „

1 ю m

,и квант АЦП равен (, Uxm йр

t0

Результат преобразования х не содержит составляющнх погрешностей от

N . Таким образом, при изменении вреени .преобразования входного сигнала, определяемого периодом помехи, по. сравнению с прототипом, в котором воз« 25 никает дополнительная погрешность, js предлагаемом АЦП это изменение не ,влияет на результат преобразования, т.е. повышена точность его работы.

Формула изобретения 1. Аналого-цифровой преобразова-! тель с частотным преобразованием, 1.

1 содержащий аналоговый переключатель, 35

;первый информационный вход которого ,является входной шиной и объединен с информационным входом аналогового ключа, а выход подключен к входу преОбразователя нанряжени в часто у 40

ыипульсов, первый одновибратор, вход которого является шиной запуска, а выход соединен с. входами сброса первого счетчика и реверсивного счетчика и первым входом триггера такта, гене- 45 ратор импульсов, выход которого соеди-, нен со счетным входом младшего разряда второго счетчика, первый, второй, третий и четвертый элементы И, первый вход последнего из которых подключен к выходу триггера цикла и объединен

50 с первым входом второго элемента И, выход которого соединен с первым вхо-, . . дом первого элемента ИЛИ, а второй вход объединен с первым входом третьего элемента И и с импульсным входом

55 блока синхронизации, вход синхронизации которого соединен с выходом нульОргана, вход которого является шиной синхронизации,. а кодовые выходы блока синхронизации соединены с одноименными входами второго счетчика, вход записи которого подключен к выходу второго элемента ИЛИ, первый вход которого соединен с выходом формирователя импульсов, вход которого подключен к единичному выходу старшего разряда второго счетчика, первый выход триггера такта соединен с входом управления вычитанием реверсивного счетчика, а второй выход — с управляющим входом аналогового переключателя, второй вход которого подключен к выходу аналогового вычитателя, первый вход которого является шиной опорного напряжения, второй вход соединен. с выходом аналогового ключа, управляющий вход которого подключен к выходу четвертого элемента И, выход первого элемента И соединен со счетным входом второго младшего разряда перaoro счетчика, счетный вход первого младшего разряда которого соединен с выходом первого элемента ИЛИ, а .выходы разрядов являются выходной шиной результата преобразования,. отличающийся тем, что, с целью повышения точности преобразования, в него введены второй и третий одновибраторы, триггер синхронизации, пятый, шестой, седьмой, восьмой и девятый элементы И, третий и четвертый элементы ИЛИ, выход последнего из которых подключен к второму входу триггера такта, первый вход подключен к выходу пятого элемента И и объединен с первыми входами первого и восьмого элементов И, а остальные входы — к выходам соответствующих разрядов первого счетчика, вход управления вычитанием которого соединен с выходом восьмого элемента И, второй вход которого подключен к выходу первого элемента ИЛИ, а третий вход подключен к первому выходу второго одновибратора, второй выход которого соединен с вторым входом третьего элемента И, а входс выходом первого элемента И, второй вход которого объединен со счетным входом реверсивного счетчика и подключен к выходу седьмого элемента И, первый вход которого соединен с выходом преобразователя напряжения в частоту импульсов, второй выход триггера такта соединен с вторым входом второго элемента ИЛИ и объединен с l5 первыми входами пятого, девятого и шестого элементов И, второй вход последнего подключен к выходу нульоргана и объединен со счетным входом триггера синхронизации, первый выход которого соединен с вторым входом четвертого элемента И, а вход сброса соединен с выходом первого одновибратора и объединен с первым входом третьего элемента ИЛИ, второй вход которого подключен к выходу четвертого элемента И, остальные входов к выходам соответствующих разрядов реверсивного счетчика, а выход— к первому входу триггера цикла, второй вход которого соединен с выходом шестого элемента И, третий вход четвертого элемента И подключен к первому выходу триггера такта и объединен с управляющим входом блока синхронизации, импульсный вход которого соединен с выходом формирователя импульсов и объединен с вторым входом девятого элемента И, выход которого подключен к счетному входу старшего разряда второго счетчика, выход третьего одновибратора подключен к второму входу первого элемента ИЛИ, а выход — к выходу третьего элемента И, третий вход которого соединен с вы47066

10 ходом триггера цикла, объединен с вторым входом седьмого элемента И и является выходной шиной готовности

5 результата преобразования а второЯ

У вход пятого элемента И подключен к второму выходу триггера синхронизации.

2. Преобразователь по п. 1, о тлич ающий ся тем, что блок синхронизации выполнен на вычитающем счетчике, ре гис тре, формирователе импульсов, одновибраторе, элементе И и элементе ИЛИ, первый вход которого является входом синхронизации блока, второй вход — управляющим входом блока, третий вход через одновибратор подключен к выходу элемента И, первый вход которого является входом синхронизации блока, второй вход — импульсным входом блока и объединен со счетным входом вычитающего счетчика, кодовые выходы которого соединены с соответству25 ющими входами регистра, выходы разря дов которого являются кодовыми выходами блока, а вход записи соединен с выходом элемента ИЛИ и объединен с входом формирователя импульсов, 0 выход которого подключен к входу сброса вычитающего счетчика.

1547066 на

Составитель В. Махнанов

Редактор А. Ревин Техред Л.Сердюкова Корректор В. Гирняк

Заказ 85

Тираж 664

Подписное

BHHHIIH Государственного комитета по изобретениям и .открытиям при ГКИТ СССР

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

Производственно-издательский комбинат "Патент", r. Ужгород, ул. Гагарина, 101