Аналого-цифровой преобразователь

 

Изобретение относится к области связи и передачи данных и может быть использовано для преобразования напряжения в код. Техническим результатом является расширение диапазона и увеличение точности измерений в поддиапазоне малых напряжений. Преобразователь содержит усилитель, релейный элемент, два ключа, компаратор, генератор пилообразного напряжения, генератор импульсов времени, триггер и элемент И. 1 з.п.ф-лы, 3 ил.

Изобретение относится к области связи и передачи данных, испытательной, вычислительной и преобразовательной технике и устройствам сопряжения и предназначено для преобразования электрического напряжения /аналоговой величины/ в двоичный код /цифровую величину/.

Известен аналого-цифровой преобразователь /АЦП/ с промежуточным преобразованием измеряемой величины в кодируемый временной интервал, содержащий преобразователь измеряемой величины во временной интервал, проводящую электромагнитные колебания широкополосную линию рециркуляционного типа с отводами, набор пороговых элементов, счетчик, регистр, два элемента И, два элемента ИЛИ, формирователь импульсов, триггер и элемент задержки /см. Гельман Н. Н. Аналого-цифровые преобразователи для информационно-измерительных систем, 1989, с. 135/.

Недостатками АЦП являются систематическая погрешность, обусловленная временными задержками элементов, подверженность влиянию помех, сложность технологии изготовления и наладки.

Известен также аналого-цифровой преобразователь, содержащий генератор пилообразного напряжения, компаратор, триггер, генератор импульсов, элемент И и первый двоичный счетчик, причем вход генератора пилообразного напряжения связан с установочным входом триггера и является первым входом устройства, а выход генератора пилообразного напряжения через первый вход компаратора соединен с сбросовым входом триггера, прямым выходом включенного на первый вход элемента И, вторым входом связанного с выходом генератора импульсов /см. Ямный В.Е. Аналого-цифровые преобразователи напряжения в широком динамическом диапазоне, 1980, с.52/.

Недостатками АЦП являются ограниченность диапазона и растущая погрешность измерения в области малых напряжений, т.к. уменьшение напряжения укорачивает временной интервал, в который оно преобразуется, а укорочение интервала уменьшает число умещаемых на нем импульсов, что увеличивает погрешность измерения.

Задачей, на решение которой направлено предлагаемое решение, является расширение диапазона и увеличение точности измерения в поддиапазоне малых напряжений.

Технический результат, достигаемый при решении поставленной задачи, выражается в усилении напряжения в нижнем поддиапазоне и, как следствие, удлинении временного интервала, в который преобразуется напряжение, и, вследствие этого, удлинении кода. Быстродействие АЦП при этом не снижается т.к. интервал преобразования по-прежнему лежит в пределах времени развертки генератора пилообразного напряжения.

Поставленная задача решается тем, что аналого-цифровой преобразователь, содержащий генератор пилообразного напряжения, компаратор, триггер, генератор импульсов, элемент И и первый двоичный счетчик, причем вход генератора пилообразного напряжения связан с установочным входом триггера и является первым входом устройства, а выход генератора пилообразного напряжения через первый вход компаратора соединен с сбросовым входом триггера, прямым выходом включенного на первый вход элемента И, вторым входом связанного с выходом генератора импульсов, отличается тем, что в него дополнительно введены второй двоичный счетчик, усилитель, релейный элемента, первый и второй ключи, причем сбросовые входы счетчиков объединены с первым входом устройства, вход усилителя связан с первым входом первого ключа и является вторым входом устройства, а выход усилителя включен на второй вход первого ключа и на вход релейного элемента, выход которого соединен с управляющими входами первого и второго ключей, элемент И включен на вход второго ключа, первым и вторым выходами соединенного с суммирующими входами соответственно первого и второго счетчиков, а выход переполнения второго счетчика включен на суммирующий вход первого счетчика.

Кроме того, коэффициент передачи усилителя является показательной функцией с основанием два, а показатель степени - целым числом, при этом число разрядов второго счетчика равно показателю степени коэффициента передачи усилителя.

При этом введение в отличительную часть формулы изобретения дополнительных элементов с соответствующими связями позволяет решить следующие функциональные задачи.

Так, введенный усилитель, увеличивая преобразуемое напряжение в нижнем диапазоне в кратное двум число раз, дает возможность расширить диапазон и увеличить точность измерения, удлиняя промежуточный временной интервал и получаемый двоичный код.

Релейный элемент выявляет нахождение измеряемого напряжения либо в основном диапазоне, либо в поддиапазоне малых значений.

Первый ключ, в зависимости от нахождения преобразуемого напряжения в основном диапазоне или нижнем поддиапазоне, дает возможность подключать к компаратору либо само напряжение, либо увеличенное усилителем.

Второй ключ, при нахождении напряжения в основном диапазоне, подключает генератор импульсов к первому, основному счетчику, обеспечивая основной режим работы АЦП а при попадающих в нижний поддиапазон напряжениях ключ коммутирует генератор импульсов на второй счетчик младших размеров, обеспечивая работу АЦП в дополнительном режиме.

Второй счетчик позволяет расширить диапазон и увеличить точность преобразования малых напряжений, удлиняя разрядную сетку преобразователя в область младших разрядов.

Признаки дополнительного пункта формулы изобретения дают возможность реализовать идею расширения диапазона /увеличения точности/ измерения, т.к. обеспечивают введение второго двоичного счетчика и обеспечивают стыковку аналоговой и цифровой частей АЦП в режиме измерения малых напряжений.

Сопоставительный анализ признаков заявляемого решения с признаками аналогов и прототипа свидетельствует о соответствии заявляемого решения критерию "новизна".

Изобретение поясняется чертежами. На фиг. 1 представлена функциональная схема АЦП. Фиг. 2 показывает связь между преобразуемыми напряжениями и промежуточными временными интервалами. На фиг. 3 приведена характеристика релейного элемента.

АЦП содержит /см. фиг. 1/ цепь запуска АЦП сигналом "Пуск" /первый вход устройства/, входную цепь преобразуемого напряжения U_x /второй вход устройства/, генератор пилообразного напряжения /ГПН/ 1, аналоговый компаратор 2, триггер 3, генератор импульсов времени /ГИВ/ 4, логический элемент И5, второй ключ 6, первый счетчик 7, второй счетчик 8, усилитель 9, релейный элемент 10 и первый ключ 11.

Преобразуемое напряжение U_x предварительно преобразуется в промежуточную величину - временной интервал t_x, который, в свою очередь, преобразуется в цифровой код N_x = t_x · f_G, где f_G - частота генератора импульсов. Точность преобразования t_x в N_x определяется числом значащих разрядов в коде N_x, уменьшающимся с уменьшением U_x. Действительно, сигнал совпадения U_x и напряжения ГПН может появиться перед очередным импульсом ГИВ. Следовательно в счетчике 7 будет зафиксирован при этом код N_x-1 вместо практически точного значения N_x и относительная погрешность преобразования вследствие набора одного импульса δ = 1/N_x. Т.е. при уменьшении U_x и соответственно N_x /сокращается число значащих разрядов кода/ δ растет.

Определим наименьшее значение U_min, которое может быть преобразовано с требуемой точностью в границах установленных наибольших напряжения и времени преобразования /U_max и t_max/. Для этого введем такое граничное значение напряжения U_гр /фиг. 2/, при котором и погрешность допустима и обеспечивается условие U_гр · 2^k = U_max, k - целое число. Отсюда U_max/U_гр = N_max/N_гр = 2^k = C. /1/ Путь теперь и усилитель 9 имеет характеристику с коэффициентом передачи C=2_k. Поэтому на характеристике на фиг. 2 можно найти такое U_x, которое будет в 2^k раз меньше U_гр так же, как само U_гр в 2^k раз меньше U_max. Обозначим его U_min. Имеем U_max/U_гр = 2^k = U_гр/U_min. /2/ Откуда преобразуемое с необходимой точностью искомое наименьшее напряжения U_min = U_max/2^2k. /3/ Т. е. после усиления U_x в 2^k раз наибольшее значение U_x, преобразуемое с не большей δ_доп погрешностью, равно U_min.

Работает АЦП следующим образом.

При наличии на его втором входе напряжения U_x ≥ U_гр /основной диапазон/ и при появлении сигнала "Пуск" на первом входе АЦП обнуляются счетчики 7 и 8, взводится триггер 3 и, одновременно с началом развертки в ГПН 1, импульсы с ГИВ 4 через логический элемент И5 идут на вход ключа 6. Реле 10 проверяет выходное напряжение усилителя 9 U₉ = 2^k · U_x. Поскольку, согласно /2/, оно больше U_max, на выходе реле 10 - сигнал высокого уровня /фиг. 3/, управляющий ключами 11 и 6 так, что преобразуемое напряжение U_x через ключ 11 подается на второй вход компаратора 2, а импульсы с логического элемента И5 через ключ 6 пойдут на суммирующий вход счетчика 7 старших разрядов.

Если же U_x < U_гр, то U₉ = 2^k · U_x < U_max и U₁₀ = 0.

Следовательно, U_x находится в нижнем поддиапазоне и схема АЦП работает по второму варианту, когда преобразуется напряжение 2^k·U_x. Только реле 10 коммутирует через ключ 11 на второй вход компаратора 2 увеличенное в 2^k раз значение U_x и теперь оно будет преобразовываться схемой.

Но, чтобы в итоге на выходе АЦП получить код, эквивалентный U_x и определенный с погрешностью δ ≅ δ_доп, следует формируемый схемой код уменьшать в 2^k раз, при этом не сокращая число значащих разрядов кода. Это достигается введением второго, K-разрядного счетчика 8, включенного по отношению к счетчику 7 как счетчик младших разрядов кода N_x, с подачей импульсов с логического элемента И5 через ключ 6 на суммирующий вход счетчика 8. Этим одновременно и уменьшается в 2^k раз код и, вследствие удлинения разрядной сетки, не уменьшается число значащих разрядов получаемого кода, т.е. сохраняется точность преобразования /разумеется, для U_x ≥ U_max/2^2K/.

Соединение выхода переполнения "≥ 0" счетчика 8 с суммирующим входом "+" счетчика 7 делает в этом режиме счетчики 7 и 8 единым функционирующим счетчиком, формирующим искомый код N_x, соответствующий преобразуемому напряжению U_x.

В обоих вариантах работы схемы АЦП процесс преобразования заканчивается, когда напряжение на выходе ГПН 1 достигнет значения напряжения на выходе ключа 11 /срабатывает компаратор 2/. Выходным сигналом компаратора 2 сбрасывается триггер 3 и на его инверсном выходе появляется сигнал окончания преобразования "Гот".

Формула изобретения

1. Аналого-цифровой преобразователь, содержащий генератор пилообразного напряжения, компаратор, триггер, генератор импульсов, элемент И и первый двоичный счетчик, причем вход генератора пилообразного напряжения связан с установочным входом триггера и является первым входом устройства, а выход генератора пилообразного напряжения через первый вход компаратора соединен со сбросовым входом триггера, прямым выходом включенного на первый вход элемента И, вторым входом связанного с выходом генератора импульсов, отличающийся тем, что в него дополнительно введены второй двоичный счетчик, усилитель, релейный элемент, первый и второй ключи, причем сбросовые входы счетчиков объединены с первым входом устройства, вход усилителя связан с первым входом первого ключа и является вторым входом устройства, а выход усилителя включен на второй вход первого ключа, выходом соединенного с вторым входом компаратора, и на вход релейного элемента, выход которого соединен с управляющими входами первого и второго ключей, элемент И включен на вход второго ключа, первым и вторым выходами соединенного с суммирующими входами соответственно первого и второго счетчиков, а выход переполнения второго счетчика включен на суммирующий вход первого счетчика.

2. Преобразователь по п.1, отличающийся тем, что коэффициент передачи усилителя является показательной функцией с основанием два, а показатель степени - целое число, при этом число разрядов второго счетчика равно показателю степени коэффициента передачи усилителя.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3