Интегрирующий аналого-цифровой преобразователь

 

Изобретение относится к импульсной технике и может быть использовано в устройствах сбора аналоговой информации систем контроля и управления технологическими процессами. Изобретение позволяет повысить точность преобразования. Это достигается тем, что в устройство, содержащее интегратор, три ключа, сумматор, нуль-орган, источник опорного напряжения, два счетчика, цифроаналоговый преобразователь, блоки синхронизации и управления, введены компаратор, аналоговый инвертор, переключатель, четвертый ключ, третий и четвертый счетчики, делитель импульсов, три элемента И, четыре элемента ИЛИ, благодаря которым в АЦП независимо от времени преобразования обеспечивается одинаковая величина кванта преобразования и тем самым повышается точность. 1 з.п. ф-лы, 4 ил.

СОЮЗ СОЕЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

1ЕСГ1УБЛИН

Ос9 <И> (уу) Н 03 И 1/52

«,,Ф ф Ъ,7 . .;Я

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Н А BTQPCHOMV СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

r1O ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОЧНРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ ССа

1 (21) 4470258/24-24 (22) 04.08,88 (46) 23.09.90. Бюл. 11 35

I (71) Всесоюзный научно-исследовательский институт электромеханики (72) А.И.Воителев и Л.M.Ëóêüÿíîâ (53) 681.325(088.8) (56) Прянишников В,А. Интегрирующие цифровые вольтметры. — Л.: Энергия, 1976, с.46, рис.1-17.

Авторское свидетельство СССР

И 333697, кл.Н 03 M 1/52, 1970, {54) ИНТЕГРИРУЮЩИЙ АНАЛОГО-ЦИФРОВОЙ

ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ (57) Изобретение относится к импульс - ной технике и может быть использовано в устройствах сбора аналоговой информации систем контроля и управле- .

Изобретение относится к импульсной технике, в частности к преобразователям напряжения в цифровой код с интегрированием входного и опорного напряжения.

Цель изобретения — повышение точно сти

На фиг. 1 приведена функциональная схема преобразователя; на фиг.2— функциональная схема блока управления; на фиг.3 — - временные диаграммы работы преобразователя; на фиг.4— функциональная схема делителя частоты.

Преобразователь содержит шины 1-3, интегратор 4, например, выполненный ния технологическими процессами. Изобретение позволяет повысить точность преобразования. Это достигается тем, что в устройство, содержащее интегратор, три ключа, сумматор, нуль-орган, источник опорного напряжения, два счетчика, цифроаналоговый преобразователь, блоки синхронизации и управления, введены компаратор, аналоговый инвертор, переключатель, четвертый ключ, третий и четвертый счетчики, делитель импульсов, три элемента И, четыре элемента ИЛИ, благодаря которым в АЦП независимо от времени преобразования обеспечивается одинаковая величина кванта преобразования и тем самым повышается точность. 1 э.п.ф-лы, О

4 ил. на операционном усилителе с конденсатором в цепи обратной связи, сумматор 5 на двух резисторах, ключи 6-9, у которых замыкаются вход и выход при наличии сигнала на управляющем входе, переключатель 10 источник 11 опорного (отрицательного) напряжения, аналоговый 12 инвертор, например, выполненный на суммирующем усилителе, нуль-орган 13, компаратор 14, цифроаналоговый преобразователь 15 (ЦАП),блок 16 синхронизации, счетчики )7-20, делитель 2! частоты, элементы И ?2-24, элементы ИЛИ 25-28, блок 29 управления. Блок .управления (фиг.2) содержит дешифратор 30, 1594695 управляемый генератор 3 l импульсов, формирователи 32 и 33 импульсов, элемент И 34, элементы ИЛИ 35,36, счетчик 37, выполненный двухразрядным, шину 38 установки в нуль. На чертеже также обозначено: напряжение 39 (импульс)на выходе блока 16; импульсы 40 — на выходе переполнения счетчика 17, импульсы 41 (=игналы) на смежном входе счетчика 17; импульсы 42-45 (сигналы) на первом, четвертом, третьем и втором выходах дешифратора 30; импульсы 46 (сигналы) на выходе нуль-органа 13, импульсы 47 на выходе компаратора 14; импульсы 48-50 сигналы на выходах элементов ИЛИ 35,26 и формирователя 32.

Делитель частоты (фиг.4) содержит 2р элемент ИЛИ 51, счетчик 52, элемент

ИЛИ 53, элемент И 54, формирователи 55 и 56 импульсов.

Аналого-цифровой преобразователь работает следующим образом. 25

После выключения питания и установки в исходное состояние блока 29, в котором путем подачи сигнала на шину 38 устанавливается "О" код в счетчике 37, и блока 16, последний форми- 30 рует импульс 39 по сигналам внешней синхронизации или путем выделения периодов помехи, наложенной на входной

U преобразуемый сигнал. Первый из этих импульсов устанавливае "Оп код в счетчике 17, а также в счетчиках 19 и 20, проходя через элемент И 24, и "1" код в счетчике 37, проходя через элемент ИЛИ 36. Для этого импульса по "О" коду счетчика 37 дешифра- 0 тор 30 на первом выходе формировал сигнал 42, который поддерживал в исходном состоянии интегратор 4, шунтируя с помощью ключа 9 его интегрирующий конденсатор. По коду "1" счетчика 37 дешифратор 30 не формирует сигнал 43, который замыкает ключ 6, подключая U íà вход сумматора 5 и далее к интегратору 4, ключ 9 размыкается и начинается первый такт Т< интег- 5> рирования. Длительность Т, задается блоком 16, она равна интервалу времени между первым и вторым импульсами 39 и может принимать значения в диапазоне От Т1 — То", pT(до Т!= рТО 55

No

+ Т где Т = — - р = 1 — (р — 1), и р Э f

Np

Т = Π— (N — 1), где Т р 0 р

Величина То определяется емкостью

N„ 17 и частотой fo генератора 31, который включается в работу со снятием сигнала 42 ° его импульсы поступают через элементы И 23 и

ИЛИ 27 на счетный вход счетчика 17, формирующего через Tq импульсы 40 переполнения, подсчитываемые счетчиком 19 с емкостью рд,в котором фиксируется число р этих импульсов за Т . При Т т Т интегрирование Ux может привести к изменению выходного напряжения П„ интегратора 4, превышающему его рабочий диапазон (О-U ), но это недопустимо. Поэтому в АЦП ве" личина Пц контролируется с помощью компаратора 14, формирующего импульсы 47 в момент достижения U>= Uo

Импульсы 47 через элемент ИЛИ 25 с помощью ключа 9 разряжают конденсатор интегратора 4, обеспечивая U О, а их число q подсчитывается счетчиком 20, имеющим емкость не менее р еслй в AIQIU„ =U и его интегрироват ние за Т приводит к UH = Uo

3а время интегрирования Ux изменение 11< должно составить величину:

Uu= kUx(pTo+ Tp) (k — коэффициент интегратора 4), которая в АЦП представлена в виде Ув= qUä + П1, где U

= kU -- — — напряжение на выходе инх у

О тегратора 4 в конце Т1, В течение Т < код р счетчика 19 используется для корректировки текущего значения N и формирования велиNp чины и = — — в счетчике 18. Для этоР го с помощью делителя 21 выполняется уменьшение частоты fî в р раз и форfo мирование f = †вЂ, импульсы которой

9 р через элемент И 22 поступают в счетчик 18. В этом счетчике каждый импульс 40 через То устанавливает "0" код, а текущее значение Т р внутри каждого интервала Т преобразуется в кодп путем подсчета импульсов Е за

Np

Т ;и = Т f. — —, который фиксиру1) ° — . — ф ется в момент окончания Т1.

При коде р = О, т.е. в течение первого интервала Т вначале Т, на выходе делителя 21 импульсы f отсутсто вуют.

В качестве делителя 21 может быть использована схема на фиг.4, На первый вход элемента И, который являет45

5 15946 ся первым входом делителя, подаются импульсы fo, которые через него проходят при всех кодах, записанных в этот счетчик, кроме "0" кода. При коде р импульсная fo уменьшается до "0", в

5 этот момент сигнал с сумматора 5 снимается. По его отрицательному перепаду запускаются последовательно формирователи 55 и 56, Импульсы пер- 10 вого из них являются выходными импульсами делителя 21, они имеют частоту

fo

f = — —, а импульсы формирователя 56

P p записывгют в счетчик 52 делителя 15 код р из счетчика 19 для выполнения нового преобразования fo в f

Синхронизация работы делителя осуществляется путем подачи импульса на

его третий вход, по которому сначала устанавливается "0" код, а затем записывается код р в счетчике 52, Первый такт работы АЦП заканчивается по второму импульсу 39, который проходит через элемент ИЛИ 36 (импульсы 41) и устанавливает код 2 в счетчике 37, а соответствующий ему сигнал 44 с дешифратора 30 подключает с помощью переключателя 10 напряжение — Uy с выхода источника 11 30 на входыЦАП 15 и ключа 7. Одновременно с сигналом 44 сформированный на

его основе сигнал 48 подключает с по" мощью ключей 7 и 8 напряжение — Uo и -Б с выхода ЦАП 15 на вход сумматора 5 и далее к интегратору 4. Величина — U получена в результате преобразования ЦАП 15 кода n:-Uk=

= n(- g), где Д вЂ” квант ЦАП, равный

11 о кванту АЦП о

В течение сигнала 44 выполняется второй такт работы АЦП, в котором напряжение U1 интегратора 4 разынтегрируется напряжением -U = -(U + U ) о К до нуля, фиксируемым с помощью нульоргана 13, ! г.

Положительным перепадом его выходного сигнала 46, проходящего через 50 элемент И 34, открытый сигналом 44,. запускается формирователь 33. его выходной импульс проходит через эле- мент ИЛИ 36 и устанавливает в счетчи" ке 37 код 3, соответствующий которому сигнал 45,с дешифратора 30 переводит

АЦП на работу в третьем такте ° Изменение выходного напряжения интегратора 4 за Т равно U = kU

В течение Т> выполняется интегрирование +Ut,, которое снимается с выхода интегратора 12 и передается через переключатель )0 (так как сигнал 44 отсутствует) на выходы ЦАП 15 и ключа 7 ° В АЦП должен быть использован ЦАП, работающий с положительным иотрицательным опорными напряжениями.

Интегрирование +Б будет выполняться до срабатывания компаратора 14 аналогично работе в Т1 . Импульсы 47 разряжают кондерсатор интегратора 4 и вычитаются из кода q полученного за Т < в счетчике 20, т.е. на его входе угравления вычитанием подан сигнал 45. Через q импульсов в счетчике 20 будет получен 0 код, что соотвествует . снятию сигнала с выхода элемента ИЛИ 26 и запуску формирователя 32, выходной импульс которого устанавливает в счетчике 37 код О. На этом заканчивается Т> и процесс пре" образования, при этом сигнал 42 через элемент ИЛИ 25 и ключ 9 поддерживает исходное состояние интегратора 4 и. выключает из работы генератор 31., 3а Т выходное напряжение U интегратора изменялось q раз по

Пр. яЦ, В течение Т = Т + T> на вход счет23 2. чика 17, в котором перед началом Т вторым импульсом 39 был установлен 0 код, через элемент ИЛИ 27 поступают импульсы f с выхода делителя 21 и формируют в нем результат преобразования х = Т 1

В АЦП преобразование может закончиться сразу после окончания Т или

Т, если Uq = 0 или q = О. В первом случае к окончанию Т на выходе нуль1 органа 13 будет присутствовать сигнал, поэтому с появлением сигнала.44, который пройдет через элемент И 34, формирователь 33 сработает и его импульс установит код 3 в счетчике 37. Снятие сигнала 44 передается на выход элемента 26 из-за отсутствия сигналов на других его входах с выходов счетчика 20, .так как q = О, это запускает формирователь 32, по импульсу которого преобразование заканчивается. Аналогично заканчивается преобразование и во втором случае при q = О после выполнения Т и снятия сигнала 44.

Получаемый в результате преобразования код х записывается в счетчи159469 ке 17 и передается на выходные шины 3, c) готовности этого результата сигнализирует снятие сигнала 48. Код х формируется за время Т, величина которого определяется из условия равен5 ства изменений выходного напряжения в течение Т и Т 9, г е Uà U + Uç или kUx(р To+ Т ) = kUyT откуда

Т. = --"- (рт + Т ).

3 Ц

Подставляя значения П, Тр и

Т,получают Т = или

U x113No+Np)

P +v представляя U и U, через д, 15 а и через Н получают T У 2-3

Ox(pNo+ Np) П х Р

Ф «2 (14оb+ и Д)f b, Поэтому результат преобразования х

20 «о» с учетом, что f = --, будет равен !

Ф

p Ux х=т

z3p д к р Д эультате преобразования Ux получен 25 код х, имеющий квант по напряжению

Uî — и результат преобразования о не содержит составляющих погрешность от изменения времени Т, =- Ти измере- g(j ния U так как в выражении для х отсутствуют параметры р и То. В известном преобразователе уменьшение

Т неизбежно приводит к увеличению, ° гогрешности в результате преобразования из-за увеличения достоверной величины КВВУТа Если квант Д и относительная погрешность о соответствует времени измерения Т„ = роТо то нри

Т = Т из-за увеличения относительИ 0 ной погрешности о (Т ) -= р, о значение кванта будет g (Т,) = р, Q, т.е. относительная погрешность увеличилась в р раз. В предложенном АБП этогс не происходит при TО Т Ф (Т ) = g 45 т.е, точность повышена н р раз. < .Так как величина достоверного кванта Д остается одинаковой во всем диапазоне изменения. Т.„ =- Т - Р,Т то точность работы АЦП повышена для всех значений Ти этого диапазона.

Формула изобретения

1. Интегрирующий аналого-цифровой преобразователь, содержащий первый счетчик, информационные выходы которого являются выходной шиной, первый

5 8 ключ, информационный вход которого объединен с первым входом блока синхронизации и является входной шиной, уп" равляющий вход соединен с первым выходом блока управления, а выход .объединен с выходом второго ключа и соединен с первым входом сумматора, второй вход которого соединен с выходом третьего ключа, управляющий вход которого объединен с управляющим входом второго ключа и соединен с вторым выходом блока управления, информационный вход третьего ключа соединен с первым выходом цифроаналогового преобразователя, входы которого соедине«. ны с соответствующими выходами второго счетчика, нуль-орган и источник опорного напряжения, вход последнего и первый вход нуль-органа объединены и являются шиной нулевого потенциала, выходы нуль-органа и блока синхронизации соединены соответственно с первым и вторым входами блока управления, второй вход нуль-органа через интегратор соединен с выходом сумматора, отличающийся тем, что, с целью повышения точности, в него введены третий и четвертый счетчики, делитель частоты, компаратор, аналоговый инвертор, четвертый ключ, три элемента И, четыре элемента ИЛИ и переключатель, первый информационный вход которого объединен с входом аналогового инвертора, первым входом компаратора и соединен с выходом источника опорного напряжения, второй информационный вход соединен с выходом аналогового инвертора, а выход переключателя объединен с вторым выходом цифроаналогового преобразователя и соединен с информационным входом второго ключа, управляющий вход переключа- теля объединен с первым входом первого элемента ИЛИ и соединен с третьим выходом блока управления, вторые входы первого элемента ИЛИ соединены соответственно с выходами третьего счетчика, а выход соединен с третьим входом блока управления, четвертый выход которого соединен с входом вычитания третьего счетчика, счетный вход которого объединен с первым входом второго элемента ИЛИ и соединен с выходом компаратора, вход установки в "01 объединен с входом установки в

"О" четвертого счетчика и соединен с выходом первого элемента И, первый вход которого объединен с вторым!

594695

}0 входом второго элемента ИЛИ и соединен с пятым выходом блока управления,, второй вход объединен с вторым входом блока управления, первым входом тре- тьего элемента ИЛИ и входом установки в "0" первого счетчика, выход переполнения которого соединен со счетным входом четвертого счетчика, входом установки в "0" второго счетчика и вто- 10 рым входом третьего элемента ИЛИ, счетный вход первого счетчика соединен с выходом четвертого элемента ИЛИ, первый вход которого соединен с выходом второго элемента И, второй вход объе- }5 динен с первым входом третьего элемента И и соединен с выходом делителя частоты, первый вход которого объединен с первым входом второго элемента И и соединен с шестым выходом бло- 2р ка управления, второй вход второго элемента И объединен с вторым входом третьего элемейта И и соединен с первым выходом блока управления, выход третьего элемента И соединен со счет" 25 ным входом второго счетчика, выходы четвертого счетчика соединены соответственно с вторыми входами делителя частоты, третий вход которого соединен с выходом третьего элемента ИЛИ, вы- gp ход второго элемента HJIH соединен с управляющим,,входом четвертого ключа,. информационный вход которого объединен с входом интегратора, а выход объеди- . чс I нен с выходом интегратора и соединен с вторым входом компаратора.

2. Преобразователь по п.!, о т— л и ч а ю шийся тем, что блок управления выполнен на последовательно соединенных элементе И, первом формирователе импульсов, первом элементе ИЛИ, счетчике и дешифраторе, а также втором формирователе импульсов, втором элементе ИЛИ и управляемом инверторе импульсов, выход которого яв-я ляется шестым выходом блока, а управляющий вход соединен с первым выходом дешифратора, который является пятым выходом блока, второй выл.од дешифратора соединен с первым входом второго элемента ИЛИ и является четвертым выходом блока, третий выход дешифратора соединен с вторым входом второго элемента ИЛИ, первым входом первого элемента И и является третьим выходом блока, четвертый выход дешифратора является первым выходом блока, выход второго элемента .ИЛИ является вторым выходом блока, первый входом которого является второй вход элемента И, вторым и третьим входами блока являются соответственно второй вход первого элемента ИЛИ и вход второго формирователя импульсов, выход которого соединен с третьим входом первого элемента ИЛИ, а вход установки в 0

11 И счетчика является шиной установки.

Ф(л.2

Фиг,3

1594695 кар

Составитель А.Титов

Техред Л,Олийнык Корректор Т.Малец

Редактор Л.Зайцева

Заказ 2838 Тираж 667 Подписное

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