Способ аналого-цифрового преобразования и устройство для его осуществления

 

Изобретение относится к электроизмерительной технике и может найти применение в измерительных устройствах для преобразования постоянного напряжения в цифровой код. Изобретение позволяет повысить точность аналого-цифрового преобразования. Это достигается тем, что в способе аналого-цифрового преобразования, включающем преобразование измеряемого и двух опорных, равных по величине и противоположных по знаку, напряжений в периодическую последовательность импульсов, формирование выходного временного интервала, заполнение его импульсами эталонной частоты, в периодической последовательности импульсов, образованной двумя равными полуциклами, причем в первом полуцикле действуют источники опорных напряжений в последовательности отрицательный источник - положительный источник, а во втором полуцикле - измеряемое напряжение, изменяют длительность импульса положительного опорного сигнала при сохранении длительности полуцикла, исключают постоянную составляющую, анализируют амплитуду сигнала во втором полуцикле и в момент равенства нулю амплитуды сигнала во втором полуцикле преобразуют длительность импульса положительного опорного сигнала в цифровой код. Устройство для осуществления способа содержит аналоговый компаратор, генератор опорных импульсов, аналоговый мультиплексор, реверсивный двоичный счетчик, источник опорных напряжений положительной и отрицательной полярностей, цифровой компаратор, три триггера, двоичный счетчик, блок исключения постоянной составляющей, шину начальной установки. 2 н.п. ф-лы, 1 з.п. ф-лы, 7 ил.

ИЕ (11) СООЗ СОВЕТСНИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК

Ai (gj)g H 03 M I!48

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

H АВТОРСИОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И (ЛНРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР (21) 4499018/24-24 (22) 27, 10 ° 88 (46) 23,09,90.Бюл, 9 35 (71) Читинский институт природных ресурсов СО АН СССР (72) А.В,Филатов (53) 681, 325 (088. 8) (56) Гнатек Ю.P.Ñïðàâî÷íèê по ЦА и АЦ преобразователям, 1982, с„290, 111ляндин В.N, Цифровые измерительные устройства, 1981. с. 210-213, рис.3 52. (54) СПОСОБ АНАЛОГО-ЦИФРОВО ГО ПРЕОБРАЗОВАНИЯ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУ

ЩЕСТ ВЛЕНИЯ (57) Изобретение относится к электроизмерительной технике и может найти применение в измерительных устройствах для преобразования постоянного напряжения в цифровой код, Иэобрет ение по э воля ет по вы сит ь т очно ст ь аналого-цифрового преобразования, Это достигается тем, что в способе аналого-цифрового преобразования, включающем преобразование измеряемого и двух опорных, равных по величине и противоположных по знаку, напряжений в периодическую последовательность импульсов, формирование выходИзобретение относится к электроизмерительной технике, может найти применение в измерительных устрой.ствах для преобразования постоянного напряжения в цифровой код, 2 ного временного интервала, заполне -. ние его импульсами эталонной частоты в периодической последовательности импульсов, образованной двумя равными полуциклами, причем в первом полуцикле действуют источники опорныхнапряжений в последовательности отрицательный источник - положительный источник, а во втором полуцикле - измеряемое напряжение, изменяют длительность импульса положительного опорного сигнала при сохранении длительности полуцикпа, исключают постоянную составлякщую, анализируют амплитуду сигнала во втором полуцикле и в момент равенства нулю амплитуды сигнала во втором полуцикле преобразуют длительность импульса положительного опорного сигнала в цифровой код, Устройство для осу-" ществления способа содержит аналоговый компаратор, генератор опорных импульсов, аналоговый мультиплексор, реверсивный двоичный счетчик, источник опорных напряжений положительной и отрицательной полярностей, цифровой компаратор, три триггера, двоичный счетчик, блок исключения постоянной составляющей и шину начальной уста новки, 2 с, и 1 з,п,ф-лы, 7 ил, Цель изобретения — повьппение точности преобразования, На фиг, l представлена периодическая последовательность импульсных сигналов (а - исходная, б - после

1594б92 исключения постоянной составляющей,, ° Ъ в - преобразованная); на фиг,2зависимость длительности импульса положительно ro опорного сигнал а от входного измеряемого напряжения; на фиг.З - структурная схема устройства, реализующего способ „на фиг,4 - блок ,исключения постоянной составляющей; на фиг.5 - временные диаграммы одного цикла аналого-цифрового преобразования; на фиг.б и 7 - временные диаграммы процесса преобразования для 0 „= +U и Uь,< = -11 соответственно, Способ осуществляют следующим образом, Из входного сигнала и двух опорных напряжений формируется с помощью коммутатора-мультиплексора импульсная периодическая последователь- < ность отрицательный опорный источник, IIoJIoRHTBII bHbIA oIIQPkibIH HcTo HK > входное измеряемое напряжение, По*следовательность состоит иэ двух ровных полУЦиклов Т on kk T !<(фиг, la)

В первом полуцикле Т д действуют сиг" напы от опорных источников напряже ний, сначала отрицательный — Uo затем положительный +U . Во втооп р ом полуцикле Т z z — из меряе мое постоянное иапряжение U o> (на фиг, 1

U „принято условно положительным) °

Ойорные сигналы- -U „и и +Бр, равны по величине и противоположны по знаку, Затем в сформированной последовательности импульсных сигналов . исключается постоянная составляющая, что приводит к сдвигу этой последовательности вниз или вверх относительно нуле вой линии (фи r, 1 6), Ввиду того, что постоянная составляющая равна нулю, сумма вольт-секундных площадей импульсов одной полярности

S и S з будет равна площади импульса другой полярности S I,,, т,,еe, S +

+ S > = S1 (фиг,16). Дальнейшее преобразование последовательности им" пульсных сигналов производится путем изменения времени подкпючения на вход преобразования положительного опорного сигнала +Uon (в,цальнейшем, широтно-импульсного сигнала Т„„ ) и одновременно при неизменной величи" не длительности полуцикла Т и, будет меняться длительность отрицательного опорного сигнала - 11рп, Изменение длительности Т„, z с будет продолжаться до момента получения площади S равной нулю (фиг,1в),что является условием правильного преобразования входного измеряемого напряжения U в длительность импульса опорного напряжения положительной полярности Т„.и,.

В преобразованной последовательности ! импульсов S = S и согласно фиг,1в

on можно записать откуда

Пon+ Ue!<

Тц — — — Т !

В общем случае, для входных значений

+Ь" ><< последняя формула принимает вид

Поп C U!kX Т вЂ” — — — Т

Мис 2U

on

on

Таким образом, между временем Т

b

= -11„„.,.,„.! = О, при U o!< = О Тш!<р=

= Топ(а s при П ьх = +1! оп Т «!ис = Топ °

Длительность Т „, преобразованная в код (например, подсчетом числа импульсов), есть представление искомой величины в цифровом смещенном коде, в котором старший разряд является знаковым.

Таким образом, над входной анапа»

40 говой величиной выполняются следующие операции: формирование последовательности - Uon +Uon +U s!< из двух равных полуциклов Трр и Тц 3 в пеРвом полУЦикле -Брп в +Uo!I во втором полуцикле+ У <,, исключение постоянной составляющей из этой последовательности; анализ амплитуды сигнала во втором полуцикле Т „на нуль; иэ— менение времени подключения -U д, 50 +U ð „т ак, чтобы сигнал во втором полуцикле после исключения в нем постоянной составляющей стал равен нулю (условие правильного преобразования); в этом случае длительность

55 действия +Uðn информативна и преобр аэ о выв ает ся в цифровой код (н апример, подсчетом числа импульсов эталонной частоты), жение по шине 3. Источники 1 и 2 опорного напряжения равны по величине и противоположны по знаку, Их величи

5 на определяет верхний предел измеря емого напряжения. Последовательность коммутации входных источников напряжения и продолжительность их подключения на вход блока 5 обеспечивают прступающие на управляющие входа аналогового мультиплексора 4 выходные уровни с триггеров 11 и 12, Двоичный счет- -. чик 8 производит прямой счет импульсов, поступакщих от генератора 10 °

В начале .первого полуцикла после окончания сигнала "Начальная установка" на счетный вход С двоичного счетчика 8 начинают поступать тактовые импульсы с генератора 1О, при этом содержимое счетчика последовательно увеличивается, Нулевое состояние триггера 11 указывает на первый полуцикл Т р, во время которого на вход блока 5 исключения постоянной составляющей коммутируются источники

1 и 2 опорного напряжения, В начале на вход блока 5 через аналоговый муль" типлексор 4 поступает сигнал от отрицательного источника 2 опорного

30 напряжения (-U ö,)согласно сигналам, поступающим на управляющие входы 1 и

2 мультиплексора, На управляющий вход 1 поступает сигнал с прямого хода триггера 11 полуцнклов, На управляющий вход 2 поступает сигнал с прямого выхода триггера 12 (таким образом, состочние управляющих входов мультиплексора = 00). Код двоичного счетчика 8 сравнивается цифро4Q вым компаратором 9 с кодом двоичного реверсивного счетчика 7, При достижении равенства состояний счетчиков цифровой компаратор формирует сигнал 1, поступающий на вход I триг45 гера 12, и по переднему фронту очерсдного тактового импульса с генератора 10, поступающему на вход С синхронизации, триггер 12 переходит в состояние 1, Тем саьым аналоговый

5ð мультиплексор (Упр,1, Упр.2=01) коммутирует на вход блока 5 исключения постоянной составляющей сигнал от положительного источника 1 опорного напряжения (+П „). После переполнения

55 двоичный счетчик 8 сбрасывается в нуль и с выхода переполнения P уста- . навливает триггер 1 1 по счетному входу Т в единицу. Сигналом с прямого выхода триггера 1! триггер 12 уста5 594692 6

Устройство для осуществления способа содержит (фиг,3) источники 1 и 2 опорного напряжения положительной и отрицательной полярности соответе ственно, входную шину 3 измеряемо- го напряжения, аналоговый мультиплексор 4, блок 5 исключения постоянной составляющей, аналоговый компаратор б (элемент сравнения с нулем!, реверсивный двоичньй счетчик 7, двоичный счетчик 8, цифровой компаратоф 9, генератор !О опорных импульсов, триггеры 11 - 13, выходную шину 14, шины 15 и 16 на-: чальной установки и перегрузки соответственно, Работа аналого-цифрового преобразователя поясняется временной диаграммой, приведенной на фиг,5 (один цикл преобразования) °

Для приведения отдельных элементов аналого-цифрового преобразователя в исходное состояние на устройство по шине 15 поступает сигнал "Начальная установка" ° При этом выполня ются следукщие действия: происходит сброс триггеров 11 — 13 в нуль по входу R; аналоговый мультиплексор 4 переходит в состояние "Включено" по входу управления 3; двоичный счетчик

8 сбрасывается в нуль по входу R; в двоичный реверсивный счетчик 7 по входу предварительной установки PE с параллельных входов (микросхема

К564ИЕ11) заносится цифровой код с единицей в старшем разряде 1000 ° 0000.

0000 (для одиннадцатиразрядного преобразователя + знак), являющийся цифровым эквивапентом входного напряжения, равного нулю, выраженный в смещенном коде, где старший разряд знаковый, Сигнал "Начальная установка" должен обязательно формироваться после включения аналого-цифрового преобразователя при подаче на него питания и после установки триггера 13 в единицу, Цикл работы анапого-цифрового преобразователя является периодическим и включает в себя два равных полуцикла. В течение первого полуцикпа на вход блока 5 исключения постоянной составляющей через аналоговый мультиплексор 4 коммутируются источники

1 и 2 опорного напряжения, в течение второго полуцикла на вход блока 5 подается входное измеряе мо е напря1594692 навлинается в нуль по первому вхоцу

R и поддерживается в нулевом состоя нии в течение всего второго полуцикла независимо от сигнала с цифрово5 го компаратора, Двоичный счетчик 8 начинает счет от нуля, .Начинается второй полуцикл Те,, в течение которого на вход блока 5 исключения постоянной составляющей подается подлежащее изме-10 рению входное напряжение + U (Упр, 1, Упр,2=10), Во втором полуцикле аналоговый компаратор 6 фиксирует отклонение от нуля в (-) поступающий на него с блока 5 уровень сигнала и выдает потенциальный логический сигнал на вход направления счета +/- двоичного реверсивного счетчика 7 для уменьшения увеличения ) его состояния, В момент второго переполнения двоичного счетчика триггер 11 пе- реходит в состояние нуль и по перепаду с его инверсного выхода, поступающему на счетный вход С двоичного реверсивного счетчика 7, изме- 25 няет со стояние последне го на один младший разряд в зависимости от выходного состояния аналогового компаратора 6. В результате одного цикла в двоичном реверсивном счетчике 7 фиксируется код, отличающийся на один младший разряд от, предыдущего кода. И описанная последовательность повторяется, Изменение состояния реверсивного счетчика в сторону уменьшения (U>z =

=+U) или увеличения (U =-U) на один. младший разряд после каждого цикла работы аналого-цифрового преобразователя происходит до момента, когда напряжение на входе аналогового компаратора во втором полуцикле станет равным нулю, Состояние двоичного реверсивного счетчика является представлением длительности Т ы в цифровом смещенном коде, где старший разряд является знаковым, В последующих циклах работы аналого-цифрового преобразователя происходит слежение эа изменением вход50 ного измеряемого напряжения. Этап слежения заключается в следунхцем.

Если произойдет изменение входного сигнала U>> в целом, во втором полуцикле Т произойдет отклонение от нуля напряжения на выходе блока 5 исключения постоянной составляющей, входе аналогового компаратора 6, Выходной логический сигнал с аналогового компаратора 6 будет указывать на то, в какую сторону (+ или -) произошло изменение 1J>> и в соответствии с этим будет меняться состоя- ние двоичного реверсивного счетчика 7 перепадами, поступающими от триггера 11, Цифровой компаратор будет.менять время включенного состояния триггера 12 и, следовательно, время подключения на вход блока 5 исключения постоянной составляющей положительного источника 1 опорного напряжения и одновременно отрицательного источника 2 опорного напряжения. Это приведет к плавному сдвигу импульсной последовательности вниз или вверх относительно нулевой линии, Изменение длительности подключения на вход опорных сигналов будет продолжаться до тех пор, пока амплитуда сигнала на входе аналогового компаратора 6 во втором полуцикле будет снова ранна нулю. При этом состояние ре версивного счетчика есть искомое представление входной величины в двоичном смещенном коде и длительность подключения +U на вход линейно связана с Н „.

Таким образом, циклическая работа аналого-цифрового преобразователя заключается после действия сигнала

"Начальная установка" в установлении выходного кода, пропорционального входному напряжению U> и в дальнейшем в слежении за изменением входного напряжения. Количество цик» лов, необходимых для получения кода, пропорционального преобразуемой величине, зависит от величины скачка

Для скачка ЬН количество цик-лов определяется выражением

L1Jsx

11 мл где U>I, — напряжение младшего разряда цифрового кода, 1

На фиг,6 приведена временная диаграмма на входе и выходе блока 5 иск-: лючения постоянной составляющей при изменении длительности подключения на вход источников опорного напряжения после действия сигнала "Начальная установка" до момента установления соответствия между Н „ и длительностью Т ц (напряжение на входе аналогового компаратора равно нулю во втором полуцикле), если U y

1594692

= +U, Диаграмма для случая U» -0 приведена на фиг,7, В устройстве;

1 конкретный анализ амплитуды сигнала без пострянной составляющей на входе аналогового компаратора во втором по луцикле и изменение длительности подключения опорных источников происходит так: если амплитуда положи-. тельная, то время подключения +Поп 10 увеличивается и, если амплитуда отрицательная, то. время подключения

+Поп уменьшается, В устройстве аналого-цифрового преобразователя применен блок исключения постоянной составляющей фиг.4 на основе RC-цепи, который представляет собой усилитель (или повторитель) импульсного сигнала с исключением в выходном сигнале постоянной состав- 20 ляющей и вносящий минимальные искажения в форму передаваемого импульса, Передача с минимальными искажениями импульсного сигнала через блок исключения постоянной составляющей должна обеспечиваться применением операционного усилителя ОУ с большой скоростью нарастания выходного сигнала (фронт и срез импульсного сигнала) и соответствующим выбором RC-цепи 30 (спад вершины импульсного сигнала), Цепи коррекции ОУ должны быть подобраны на отсутствие выбросов напряжения в сигнале.

В конкретной разработке аналогоцифрового преобразователя применен

-ОУ 544УД2А с минимальной скоростью нарастания 30 в/мкс (П„ц = 12В), RC-цепь выбирается из относительноA1J го спада вершины импульса g = — - - 40

Url, Для одиннадцатиразрядного аналогоцифрового преобразователя (12-й разряд знаковый) Поп + Бвх т = ---- — — --Т---1иис 2U on оА

45 т 1

2048 2 RC г.

Следовательно, информативная длительность выходного импульса не зависит от величины усиления (нулевой метод). Б связи с этим мультипликативная составляющая систематической погрешности преобраЗования зависит только от стабильности абсолютных величин опорных источников напряжения и не зависит от коэффициента передачи измерительного тракта, Кроме того, на погрешности преобразования не сказываются медленные изменения г

Предварительное усиление сигнала выполняется для повышения точности работы аналогового компаратора, Коэффициент усиления должен выбираться таким, чтобы усиление сигнала проходило в линейной области, Длительность полуциклов конкретно определя-. ют из следующих соображений. С одной стороны, при увеличении длительности исходят иэ условия передачи импульсных сигналов через блок исключения постоянной составляющей с минимальным сколом вершины импульсов, С другой стороны, при уменьшении длительности полуциклов исходят из быстродействия микросхем, из которых состоит устройство, Использование изббретения позволяет повысить точность преобразования, В известных аналого-цифровых преобразователях за счет неидеальности свойств отдельных узлов присутствует аддитивная составляющая систематической погрешности, погрешность сдвига нуля Ес>> Ввиду того, что в предлагаемом устройстве имеется блок исключения постоянной составляющей, Е не сказывается на точности измерения, так как в сравнении на аналоговом компараторе участвует только переменная составлянщая сигналов. В этом случае погрешность нуля преобразователя в целом состоит из напряжения смещения компаратора и . его температурноro дрейфа, что оказывает меньший вклад в погрешность преобразования. На погрешность преобразования не влияет коэффициент передачи измерительного тракта, что важно при измерении мапых сигналов, При этом нет необходимости в дополнительной коррекции усиления измерительного тракта. Нечувствительность преобразователя к коэффициенту передачи следует из формулы преобразования входного сигнала в длительность импульса, Если входные сигналы подвергаются усилению в К раз, то в этом случае формула преобразования принимает вид

K(Uon < Ъх)

Т Т ис 2К U on

1594692

12 частоты опорного генератора, так как в этом случае пропорционально меняются тшис и Топ т.е. Остается

oTHoItIeHHe Т, „, oll

Формула изобретения

1 ° Способ аналого-цифрового преобразования постоянного напряжения, основанный на периодическом формировании равных по величине последовательных отрицательно го и положительного опорных напряжений, формировании входного напряжения, формирова-" нии пропорционального входному напряжению временного интервала с последующим определением его кода путем подсчета числа заполняющих импульсов

Эталонной частоты, шийся тем, что, с целью повышения точности преобразования, формиро.вание в первом периоде последовательных отрицательного и положительного опорных напряжений осуществляют каждое длительностью, равной че верти периода, а формирование входного напряжения — длительностью, равной второй половине периода, после чего осуществляют формирование разностного сигнала путем вычитания иэ сформированных Опорных и входного напряжеНий постоянной составляющей, в соответствии с величиной которого в каждом предыдущем периоде изменяют длительность формирования, последовательных отрицательного и положительного опорных напряжений в каждом последующем периоде до момента равенства разКОстнОГО сн Гнал а нулю при этОм при 40 определении кода временного интерва.ла используют код длительности сформированного в последнем периоде положительного опорного напряжения, 2. Устройство для аналого-цифрово- 45 го преобразования, содеРжашее аналоговый компаратор, генератор опорных импульсов, аналоговый мультиплексор, реверсивный двоичный счетчик, источники опорных напряжений положительной и отрицательной полярности, выходы которых соединены с первым н вторым информационными входами аналогового мультиплексора, О т л и " ч а ю щ е е с я тем, что, в него введены цифровой компаратор, три триггера, двоичный счетчик, блок исключения постоянной составляющей, :вход которого соединен с выходом аналогового мультиплексора, а выход - с первым входом аналогового компаратора„второй вход которого соецинен с общей шиной, а выход аналогового компаратора соединен с входом направления счета реверсивного двоичного счетчика, первый и второй входы цифрового компаратора соединены соответственно с первыми выходами двоичного счетчика и реверсивного двоичного счетчика, который является выходной ликой, а выход цифрового компаратора соединен с входом установ- . ки в "1" первого триггера, вход синхронизации которого объединен со счетным входом двоичного счетчика и соединен с выходом генератора опорных импульсов, счетный вход реверсивного двоичного счетчика соединен с инверсным выходом второго триггера, прямой выход которого соединен с первым управляющим входом аналогового мультиплексора и первым входом уста-. новки в "0н первого триггера, выход которого соединен с вторым управляющим входом аналогового мультиплексора, третий информационный вход которого является входной шиной, счет= ный вход второго триггера соединен с выходом переполнения двоичного счетчика, третий управляющий вход мультиплексора, входы установки в "0" двоичного счетчика второго и третьего триггеров, второй вход установки в

"0" первого триггера, вход предварительной установки реверсивного двоичного счетчика являются шиной началь ной установки, выход переполнения реверсивного двоичного счетчика соединен с выходом установки в "1" третьего триггера, выход которого является шиной сигнала перегрузки.

3. Устройство по п,2, о т л ич а ю щ е е с я тем, что блок исключения постоянной составляющей выполнен на трех резисторах, конденсаторе и операционном усилителе, неинвертирующий вход которого является входом блока и объединен с первым выводом первого резистора, второй вывод которого соединен с общей линой, а инвертирующий вход операционного усилителя объединен с первыми выводами второго и третьего резисторов, второй вывод последнего иэ которых соединен с выходом операционного уси.".теля и является выходом блока, а

13 1594692 14 второй вывод второго резистора саеди- рой вывод которого является нулевой нен с первым выводом конденсатора,вто- шиной, О

-Den f+ J U8xl

Фиг.1

Фиг.2

1594492

en3

Риа 3

Тцииа

17 2 б

@uz. 5

1594692

Вход длпю 5

Auod

ЮлипХ

Вика

Ювка5

Составитель В.Махнанов

Редактор Л,Зайцева Техред Л.Олийнык

Корректор О,Циппе

Заказ 2838 Тираж 666 Под пи с но е

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

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

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