Интегрирующий аналого-цифровой преобразователь

 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть в частности , использовано при создании универсальных цифровых вольтметров, Изобретение направлено на повышение точности преобразования„ Интегрирующий аналого-цифровой преобразователь содержит интегратор-сумматор 1, компараторы 7, 8 источники 9, 10 опорных напряжений противоположных полярностей , связанные через переключатель 11с интегратором-сумматором 1, D-триггеры 12, 13, 17, RS-триггер 18, генератор 14 импульсов, делитель 15 частоты, преобразователь 16 временных интервалов в цифровой код и преобразователи 19, 20 временного интервала в постоянное напряжение За счет наличия доп пнительного D-триггера 17, RS-триггера 18 и преобразователей 19, 20 обеспечивается переключение полярностей опорного напряжения не сразу после переходов через нуль результатов интегрирования сумм входного и опорного напряжений , а по достижении выходным напряжением интегратора-сумматора 1 пороговых напряжений, одинаковых по значению и противоположных по знаку, благодаря чему исключается погрешность преобразования, обусловленная наличием постоянной составляющей на интегрирующем конденсаторе Зс При этом обеспечивается полная синхронизация частных и полных циклов преобразования за счет автоматической и одновременной перестройки пороговых напряжений компараторов 7 и 8 в зависимости от уровня входного сигнала , благодаря чему исключается погрешность от краевых эффектов 1 з„п, ф-лы„ 3 ило i о ьэ 00 1C о Ј Фю.1

СОЮЗ СОВЕТСНИХ

СОЦИАЛ ИСТИЧЕСНИХ

РЕСПУБЛИК щ) Н 03 M 1/52

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Н A ВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И (ЛНРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР (21.) 4298 709/24 (22) 27.08.87 (46) 15.02.91. Бюл. 0 6 (72) Н.И.Лапковский, А.А,Балябо, А.В.Тернов.и П.А.Черняев (53) 681.325(088.8) (56) Орнатский П.П. Автоматические измерения и приборы. 1986, с 368-369, рис. 8.26.

Патент франции ¹ 2235540, кл. H 03 К 13/02, 1974. (54) ИНТЕГРИРУЮЩИЙ АНАЛ .i О-ШлфРОВ01"

ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ (57) Изобретение относится к измерительной технике и может быть в частности, использовано при сознании универсальных цифровых вольтметров, Изобретение направлено на повышение точности преобразования. Интегрирующий аналого-цифровой преобразователь содержит интегратор-сумматор 1, ксмпараторы 7, 8 источники 9, 10 опорных напряжений противоположных полярностей, связанные через нереключатель 11 с интегратором-сумматором

1, D- òðèããåðû 12, 13, 17, RS-триггер 18, генератор 14 импульсов, де„„SU„„1628204 А 1

2 литель 15 частоты, преобразователь

16 временных интервалов в цифровой код и преобразователи 19, 20 временного интервала в постоянное напряжение. За счет наличия доп лнительного

D-триггера 17, RS-триггера 18 и преобразователей 19, 20 обеспечивается переключение полярностей опорного напряжения не сразу после переходов через нуль результатов интегрирования сумм входного и опорного напряжений, а по достижении выходным напряжением интегратора-сумматора 1 пороговых напряжений, одинаковых по значению и противоположных по знаку, благодаря чему исключается погрешность преобразования, обусловленная наличием постоянной составляющей на инте:рирующем конденсаторе 3: При этом обеспечивается полная синхронизация частных и полных циклов преобразования за счет автоматической и одновременной перестройки пороговых напряжений компараторов 7 и 8 в зависимости от уровня входного сигнала, благодаря чему исключается погрешность от краевых эффектов. 1 з.п. ф-лы. 3 ил.

1628204

Изобретение относится к измерительной технике и может быть, в частности, использовано при создании универсальных цифровых вольтметров.

Цель изобретения — повышение точности преобразователя.

На фиг. 1 представлена структурная схема устройства; на фиг, 2 — возможный вариант электрической принципиальной схемы преобразователя временных интервалов в постоянное напряжение; на фиг. 3 — временные диаграммы, поясняющие работу устройства.

Устройство содержит интегратор- 15 сумматор 1, выполненный на операционном усилителе 2, конденсаторе 3 и двух резисторах 4, 5, первый вход интегратора-сумматора 1 является входной шиной 6, компараторы 7, 8, источ- 20 ники 9, 10 опорных напряжений, переключатель 11, два D-триггера 12, 13, генератор 14 импульсов квантования, делитель 15 частоты, преобразователь

16 временных интервалов в цифровой 25 код, D-триггер 17, RS-триггер 18, преобразователи 19, 20 временных интервалов в постоянное напряжение положительной и отрицательной полярности соответственно. 30

Преобразователь 19 (фиг. 2) выполнен, в виде диода 21, резистора 22 и двух конденсаторов 23, 24.

На фиг. 3a — работа устройства при входном напряжении, равном нулю (ЕУз =О); Зб — Пб ОР Зв — U z c0, Устройство работает следующим образом.

Большинство функциональных узлов, показанных на фиг. 1, можно свести в два укрупненных узла: интегратор° сумматор 1, переключатель 11, источники 9, 10; компараторы 7, 8, генератор 14, D-.òðèããåðû 12, 13, RS-триггер 18 представляют собой автогенератор импульсных колебаний, управляемый по частоте изменением постоянных напряжений противоположных полярностей на соответствующих входах компараторов 7, 8; делитель 15, Dтриггер 17, преобразователи 19, 20 представляют собой устройство синхронизации частоты колебаний автогенератора с так называемой тактовой частотой, которая в заданное целое

55 число раз меньше частоты генератора 14.

Начнем с рассмотрения работы автогенератора импульсных колебаний.

Условно зададимся исходным состоянием одного из функциональных узлов, показанных на фиг. 1, например, переключателя 11 и определим состояния других узлов. Пусть переключатель 11 находится в положении а, показанном на фиг. 1. Принимаем это положение за нулевое состояние. В таком случае опорное напряжение +U положительной полярности с источника

10 поступает на второй вход интегратора-сумматора 1, вызывая ток через резистор 5. Этот ток и ток через резистор 4 от входного напряжения

U5„ заряжают интегрирующий конденсатор 3, в результате чего напряжение на выходе интегратора-.сумматора 1 изменяется, стремясь к отрицательному пороговому чапряжению -U срабаИ тывания компаратора 8, В это время на выходах обоих компараторов 7 и 8 высокий потенциал (прннимаем, что компараторы находятся в единичных состояниях). С учетом потенциалов на выходах компараторов 7, 8 на неинвертирующих выходах D-триггеров 12, 13 будут также высокие потенциалы (принимаем, что они тоже находятся н единичных состояниях). Перед этим срабатывали компаратор 7 и триггер t2 в результате к S-входу RS-триггера 18 прикладывался высокий потенциал и на неинвертирующем выходе этого триггера установился тоже высокий потенциал (приннмаем, что RSтриггер 18 находится в единичном состоянии).

Указанные состояния функциональных узлов сохраняются до момента, в который изменяющееся напряжение на выходе интегратора-сумматора 1 сравняется с пороговым напряжением -Цп срабатывания компаратора 8. В этот момент компаратор 8 срабатывает (на его выходе устанавливается нулевой потенциал), т.е. он переходит в:нулевое состояние, вызывая (по приходу "1" с генератора 14 на С-вход Dтриггера 13) переход В-тригг ра 13 тоже в нулевое состояние. В свою очередь приход "1" с инвертирующего выхода В-триггера 13 на В-вход RSтриггера 18 переводит последний в нулевое состояние, что в конечном счете вызывает перевод переключателя ?1 в положение б, В результате оперное напряжение на втором входе интегратора-суммато16282(Usx

Тогда

21.1 и С з e= — — — — °

Uo Usx

Rg R

2Uï С з

At= — - — ——

Do Usx

55 Вычислив их разность и сумму, можно найти отношение

At -И uZx Rs

Ь 1 Д 2 110 R4. ра 1 скачкообразно изменяется от

+U до -U и с этого момента времеЬ о ни начинается перезаряд интегрирующего конденсатора 3, напряжение на выходе интегратора-сумматора 1 начинает изменяться в сторону положительной полярности, стремясь к пороговому напряжению +Us срабатывания . компаратора 7, компаратор 8 и D-триггер 13 возвращается в исходные (единичные) состояния, а Р$-триггер 18 сохраняет новое (нулевое) состояние„

В момент, в который изменяющееся напряжение на выходе интеграторасумматора 1 достигнет порогового значения +Оп, срабатывает компаратор 7, переводит Э-триггер 1 2 в нулевое состояние, последний возвращает RS-триг гер 18 в исходное (единичное) состоя- 2О ние, вызывая установление переключателя 11 тоже в исходное (нулевое) состояние, опорное напряжение на втором входе интегратора-сумматора 1 скачкообразно изменяется уже от -У. 25

go +U — начинается обратный перезао ряд интегрирующего конденсатора 3, напряжение на выходе интегратора-сумматора 1 начинает изменяться в сторону отрицательной полярности, снова 30 стремясь к пороговому напряжению срабатывания компаратора 8, комs паратор 7 и D-триггер 12 возвращаются в исходные (единичные) состояния—

КЯ-тРиггеР 18 сохраняет исходное (единичное) состояние

Далее процесс автоколебаний повторяется, как.описано, начиная с исходного состояния„

Очевидным условием обеспечения периодических перезарядов интегрирующего конденсатора 3 и поддержания таким образом непрерывных колебаний является периодическая смена направления тока в цепи с интегрирующим 4 конденсатором 3. Этот ток складывается из двух токов: тока через резистор 4, вызываемого входным (преобразуемым) напряжением U><, и тока через резистор 5, вызываемого опорными напряжениями +Us и -Uo, равными по значению, но противоположными по полярности, действующими поочередно, из-за чего второй ток также поочередно изменяет направление. Для того, чтобы и суммарный ток заряда интегрирующего конденсатора 3 также поочередно (периодически) изменял направление, не уменьшаясь при этом до ну14

6 ля, необходимо, чтобы сила ока I4 через резистор 4, сопротивление которого Р4, по абсолютному значению (I 1 всегда была меньше абсолютного

41 значения силы тока (I>/ через резистор 5, сопротивление которого К

Математически это условие обеспечения непрерывной работы автогенератора импульсных колебаний можно представить в виде неравенства:

11 1- " (c lT,l = )= — (.

Нетрудно вывести аналитическое выражение для зависимости интерналов времени Т< и Д1 перезарядов интегрирующего конденсатора .3 от порогового напряжения -11 до порогового наи пряжения +U и обратно от +U> до -U<, Л соответственно, а также периода перезаряда Т=,+, от входного (преобразуемого) напряжения Us> . Используя уже принятые обозначения и ВВо дя новые, можно составить уравнение: ((I/at(lI) «Ь»

+U +(-U,! =2U = — - — — = — — — -

СЗ где С вЂ” емкость интегрирующего кон9 денсатора 3;

1 J I (— абсолютные значения сиЭ лы токов перезаряда интегрирующего конденсатора 3 на интервалах времени gt< и

Д t соответственно. а

Исходя из необходимости выполнения выше приведенного неравенства

i l ð, (-I 6l (ð (принимаем

Ua Usr

II, -I +I = — +

1628204

10 реводит его в другое состояние, такое, что на инвертирующем выходе появляется отрицательное напряжение

U> (отрицательный импульс). Этот отрицательный импульс поступает на вход преобразователя 19 временных интервалов в постоянное напряжение положительной полярности, возможный вариант электрической принципиальной схемы которого представлен на фиг.2„

Характерным для всех схем таких преобразователей является наличие в каждой схеме интегрирующей КС-цепи (звена 1-ro порядка) и при необходимости некоторых других элементов для обеспечения требуемого размаха напряжения перед R(.-цепью. Аналогично выполнен и преобразователь 20, но с учетом получения отрицательного напряжения на выходе. Поступивший с инвертирующего выхода D"òðèããåðà 17 на вход преобразователя 19 отрицательный импульс вызывает линейный спад напряжения +ОП на выходе преобразова- 25 теля 19 и на входе компаратора 7„

Напряжение U íà выходе интеграторасумматора 1 в это время линейно возрастает в сторону положительных значений, стремясь к +Оп., R rnMeHa вре- 30 мени йд возрастающее от -П „ и спадающее от +ц напряжения сравниваются компаратбр 7 срабатывает и переводит

D-триггер 12 в другое состояние, а на его инвертирующем выходе появляется "1", которая поступает на R-вход

D-триггера 17 и переводит его в исходное состояние„ На инвертирующем выходе появляется положительное йапряжение УП (положительный импульс), которое. вызывает линейное- возрас-ание напряжения +Up на выходе пре»бразователя 19. Кроме того, переводятся в другое состояние RS-триггер 18 и переключатель 11, в результате чего на второй вход интегратора-сумматора 1 начинает поступать положительное опорное напряжение +Ui!, что вызывает eïàä напряжения Гц на выходе интегратора-сумматора 1. Это напряжение 1 в момент времени t< сравнии вается с отрицательным пороговым напряжением -U на выходе преобразо>"> вателя 20 — срабатывают компаратор

8, затем D-триггер 13, RS-триггер, переключатель 11 и Ue становится отрицательным, П>, начинает возрастать в сторону положительных значений, стремясь к пороговому напряжению

+0 . В некоторый момент t (может раньше, а может позже момента времени

t<) опять на выходеделителя 15появляется положительный перепад П,, D-триггер 17 переводится в нулевое состояние и на выходе преобразователя 19 появляется линейный спад напряжения U„, с кото.—. рым в момент t< сравнивается выходное напряжение U интегратора-суммаN тора 1, компаратор 7 вновь срабатывает, и процесс повторяется. Описанное относится к установившемуся процессу.

Начала переходных процессов. показаны на фиг. 3 штриховыми линиями.

Так, на фиг. За, на которой сплошными линиями изображены формы сигналов в установившемся процессе при напряжении U „ на входе HAIUI равном нулю, показано штриховыми линиями изменение хода напряжения П . на выхои де интегратора-сумматора 1 при подаче в момент времени t на вход напряжений положительной (О „ >О) и отрицательной (П,„(0) полярностей.

Появление напряжения U „)0 на первом входе интегратора-сумматора 1 на интервалах времени, когда на втором входе опорное напряжение +П приво" дит к возрастанию положительного тока перезаряда интегрирующего конденсатора 3, а следовательно, — к повышению скорости спада напряжения 0„ на выходе интегратора-< ум..атора 1; в интервале же времени, когда на втором входе опорное напряжение -U наоборот, — к понижению отрицательного тока перезаряда, а следовательно, к уменьшению скорости возрастания

U> При Ub><0 действие происходит в обратном порядке.

Описанное проиллюстрированно на фиг. 3а, причем показано удлинение периода перезаряда интегрирующего конденсатора 3, равного интервалу времени от момента te до момента повторного достижения возрастающим напряжением U> порогового значения U<.

В установившемся режима при U „ =0 это соответствует моменту времени 11.

С появлением напряжения U „любой полярности период автоколебаййя удлиняется, а это значит, что возрастающее напряжение Пц в момент и, как показано на фиг. За, еще не достигает порогового напряжения U< (хотя при U<>=0 оно бы его достигло). После

1628204 момента t> U продолжает возрастать, а UII продолжает спадать, и так до момента сравнения, после которого, как описано выше U> начинает cnat

5 дать, UII - возрастать. Но времени для возрастания UII до момента прихода очередного положительного перепада напряжения U с выхода делителя

15 осталось меньше, чем было в предыдущем такте при У „=О. Следовательно, значения пороговых напряжений

+Uä и -U< станут меньше, а это приведет к тому, что в следующем такте период перезаряда интегрирующего кон- 15 денсатора 3 сократится„ и еще через несколько тактов переходной процесс закончится, установится новый стационарный режим, показанный на фиг.36, в для двух полярностей напряжения

ВХ

На тех же фиг . Зб,в штриховыми линиями показаны начала развития переходных процессов при уменьшении входных напряжений U>> в момент t . 25

Возрастающие напряжения U в обоих случаях достигают пороговых напряжений UII раньше, чем достигли бы в установившейся режиме, а это приводит к возрастанию UII в последующих тактах, и тем самым — к сохранению периода перезаряда интегрирующего конденсатора 3 неизменным. В случае резкого отклонения входного напряжения вступает в действие связь между инвертирующим выходом Р-триггера 17 и

S-входом D-триггера 12. Благодаря этой связи D-триггер 12 может переключиться только в интервале от момента прихода тактового импульса

4О (положительного нерепада) с выхода делителя 15 до момента срабатывания компаратора 7, после этого до момента прихода очередного. тактового импульса переключение D-триггера 12 45 невозможно, что исключает явление самовозбуждения.

Подача импульсов квантования с генератора 14 на С-входы D-триггеров .12, 13,обеспечивает синхронизацию моментов переключений полярности . опорного напряжения, т.е. изменения полярности U происходит не в моменты срабатывания кампараторов 7„ 8, а в моменты прихода первого после срабатывания одного (любого) из ком55 параторов квантующего импульса. В результате каждый интервал времени„ в течение которого на второй вход интегратора-сумматора 1 с выхода переключателя 11 поступает опорное напряжение одной полярности, содержит целое число периодов следования импульсов квантования. Тем самым исключается возможность накопления погрешности квантования.

Форма напряжения на неинвертирующем выходе RS-триггера 18 полностью соответствует форме напряжения U на выходе переключателя 11, как показано на фиг, 3.

Сравнительно низкое значение постоянной составляющей выходного напряжения интегратора-сумматора 1, а следовательно, и постоянной составляющей напряжения на интегрирующем конденсаторе 3 обеспечивается одновременным автоматическим регулироваEIHeM как положительного порогового напряжения +Оп на входе компаратора

7, так и отрицательного -Uä на входе компаратора 8. Осуществляется это преобразователями 19, 20 временных интервалов в постоянные напряжения противоположных полярностей, которые питаются или управляются от одного

D-триггера 17.

Таким образом, за счет применения двух преобразователей временных интервалов в постоянные напряжения и третьего D-триггера, питающего преобразователи или управляющего ими, устройство обладает более высокой по сравнению с прототипом точностью преобразования.

Формула изобретения

1. Интегрирующий аналого-цифровой преобразователь, содержащий интегратор-сумматор, первый вход которого является входной шиной, второй вход соединен с выходом переключателя, первый и второй информационные входы которого соединены с выходами источников опорных напряжений положительной и отрицательной. полярностей, а

BbIxop интегратора-сумматора соединен с первыми входами первого и второго компараторов, вьходы которого соединены с Э-входами соответствующего первого и второго D-триггеров, С-входы которых объединены с входом делителя частоты и тактовым входом преобразователя временных интервалов в код и подключены к выходу генератора импульсон квантования, о т л и ч а ю13 входам преобразс в,бетеля времеши го интервала в код, выход которого явпяется выходной шиной, инверсный BbMofl

RS-триггера соединен с управляющим входом переключателя.

23 22

-Ил

-и, ир,>о

Фиг;,3

Составитель В.Махнанов

Техред П.Олийнык

Корректор N.Äåì÷èê

Редактор О.Спесивых

Заказ 348 Тираж 458 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и от; рытиям при ГКНТ СССР

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

Производственно-издательский комбинат "Патент", r. Ужгород, ул. Гагарина, 101 шийся тем, что, с целью польш ения точности преобразователя, в него введены третий D-триггер, RS-триггер и первый и второй преобразователи временных интервалов в постоянные напряжения положительной и отрицательной полярностей, выходы которых соединены соответственно с вторыми входами первого и второго компараторов, 1р а входы подключены соответственно к инверсному и прямому выходам третьего D-триггера, С-вход которого соединен с выходом делителя частоты, Rвход объединен с S-входом RS-триггера 15 и подключен к инверсному выходу первого D-триггера, инверсный выход второго D-триггера соединен с R-входом

RS-триггера, прямой и инверсный выходы которого подключены соответствен-р но к первому и второму управляющим

2. 11реобразователь по и. 1, о т л и ч а ю шийся тем, что преобразователь временного интервала в постоянное напряжение соответствующей полярности выполнен на диоде, резисторе, двух конденсаторах, первый вывод первого из которых является входом преобразователя, второй вывод подключен к первому выводу резистора и через диод к шине нулевого потенциала, второй вывод резистора является выходом преобразователя и через второй конденсатор соединен с шиной нулевого потенциала,