АНАЛОГО-ЦИФРОВОЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ Российский патент 1996 года по МПК H03M1/60 

Изобретение относится к области импульсной техники, в частности, к аналого-цифровым преобразователям с промежуточным преобразованием в частоту импульсов.

Изобретение может быть использовано в устройствах сбора аналоговой информации систем контроля и управления технологическими процессами и испытаниями, выполняемых на основе средств вычислительной техники.

Широко известны аналого-цифровые преобразователи АЦП, в которых выполняется промежуточное преобразование с помощью преобразователя напряжения в частоту импульсов ПНЧ с интегрированием входного напряжения, например, книга В.Г.Балакай, И.П.Крюк и Л.М.Лукьянов Интегральные схемы АЦП и ЦАП, М. Энергия, 1978 г. стр. 69 75. В этих АЦП на результат преобразования оказывает влияние изменение коэффициента К преобразования ПНЧ, что снижает их точность работы.

Поэтому стоит задача по устранению дополнительных погрешностей. На решение этой задачи направлено данное предложение, при реализации которого будет достигнут положительный технический эффект, состоящий в повышении точности работы АЦП.

В аналого-цифровой преобразователь, содержащий преобразователь напряжения в частоту импульсов, первый вход которого является шиной нулевого потенциала, первый элемент И, первый вход которого объединен с первыми входами второго и третьего элементов И и подключен к выходу генератора импульсов, выход подключен к счетному входу первого счетчика, вход установки в исходное состояние которого является шиной запуска и объединен с единичным входом первого триггера и входом установки в исходное состояние реверсивного счетчика, выходы которого являются шиной результата преобразования, а суммирующий и вычитающий входы подключены к выходам соответственно третьего и второго элементов И, второй вход которого соединен с единичным выходом первого триггера, отличающийся тем, что в него введены второй счетчик, управляемый генератор импульсов, первый и второй ключи, второй триггер, логический инвертор, элемент задержки, четвертый, пятый и шестой элементы И, элемент ИЛИ, делитель напряжения, аналоговый инвертор, первый и второй переключатели, первый информационный вход последнего из которых является входной шиной преобразуемого напряжения и через аналоговый инвертор подключен к своему второму информационному входу, управляющий вход объединен с единичным выходом второго триггера, с вторым и первым входами соответственно третьего и пятого элементов И, а выход соединен с первым информационным входом первого переключателя, второй информационный вход которого является шиной нулевого потенциала и объединен с информационным входом второго ключа, управляющий вход является входной шиной времени измерения и объединен с вторым и первым входами соответственно первого и шестого элементов И, а выход соединен с вторым входом преобразователя напряжения в частоту импульсов, третий вход которого является шиной готовности результата и объединен с выходом четвертого элемента И, четвертый вход соединен с выходом делителя напряжения, а выход подключен к счетному входу второго триггера, нулевой вход которого объединен с шиной запуска, нулевой выход соединен с третьим и первым входами соответственно второго и четвертого элементов И, второй вход последнего из которых подключен к нулевому выходу первого триггера и к вторым входам пятого и шестого элементов И, выход последнего из которых подключен через логический инвертор к третьим входам третьего и пятого элементов И и к управляющему входу первого ключа, информационный выход которого является шиной опорного напряжения, а выход соединен с первым входом делителя напряжения, второй вход которого подключен к выходу второго ключа, управляющий вход которого объединен с входом управляемого генератора импульсов и с выходом пятого элемента И, четвертый вход которого соединен с выходом элемента ИЛИ, входы которого подключены к соответствующим выходам второго счетчика, счетный вход которого подключен к выходу управляемого генератора импульсов, информационные входы к соответствующим выходам первого счетчика, а вход записи кода через элемент задержки к выходу генератора импульсов, выход переполнения реверсивного счетчика подключен к нулевому входу второго триггера.

В предлагаемом техническом решении задача по устранению недостатка прототипа решается благодаря изменению по сравнению с прототипом величин напряжений, участвующих в формировании второй частоты F₂. Напряжение U₀ подключается к ПНЧ только на время, равное периоду t₁ первой частоты F₁. Инвертированное напряжение U_x отключается от ПНЧ с окончанием времени интегрирования T_и, которое задается по внешнему сигналу и выбирается равным или кратным периоду помехи T_п. Окончание периода частоты F₂ формируется в ПНЧ с помощью напряжения U_и, которое соответствует величине T_и. Интервал времени t₂ включения U_и, как будет показано ниже, представляет собой величину, соответствующую напряжению U_x и результату преобразования, который не содержит дополнительных погрешностей от U_п, присущих прототипу при T_и≠T_п.

На фиг. 1 и 2 приведены блок-схема АЦП и временная диаграмма его работы, АЦП содержит шины преобразуемого 1 и опорного 2 напряжений и нулевого потенциала 3, шины времени измерения 4, запуска 5 АЦП и готовности 6 результата преобразования на выходной шине 7, преобразователь 8 напряжения в частоту импульсов (ПНЧ) в качестве которого, как и в прототипе может быть использован преобразователь, основанный на компенсации эталонного заряда интегрирующего конденсатора преобразуемым напряжением, переключатели 9, 10, у которых первые входы соединены с выходами при отсутствии сигнала на управляющем входе и замкнуты при его наличии, аналоговый инвертор 11, ключи 12 и 13, делитель 14 напряжения, например, выполненный на двух резисторах, генератор 15 импульсов и управляемый генератор 16 импульсов, на выходе которого импульсы возникают и присутствуют при наличии сигнала на входе, первый 17, второй 18 счетчики и реверсивный счетчик 19, имеющий вход суммирования и вычитания числа импульсов, логический инвертор 20, элементы И 21 26, элемент ИЛИ 27, триггеры 28, 29, элемент 30 задержки, на фиг. 2 обозначены 31 и 32 сигналы на входных шинах 5 и 4, 33 импульсы на входе ПНЧ 8, 34 и 35 сигналы на единичных выходах триггеров 29 и 28, 36 и 37 - сигналы на выходах элемента И 26 и инвертора 20, 38 и 39 временные интервалы, в которые разрешена работа элементов И 22 и 23, 40 временной интервал, в течение которого включается в работу и выключается по сигналам элемента ИЛИ 27 генератор 16, 41 сигнал готовности результата преобразования.

АЦП работает следующим образом. С окончанием очередного преобразования триггеры 28 и 29 устанавливаются в нулевое состояние и их сигналы с помощью элемента И 21 формируют сигнал 41, который поддерживает исходное состояние интегратора ПНЧ 8 и выключает его из работы.

С приходом импульса 31 устанавливаются в исходное нулевое состояние счетчики 17 и 19 и триггер 28, а триггер 29 устанавливается в единичное состояние. Сигнал 41 снимается и разрешается работа ПНЧ 8, на третий вход которого поступает напряжение U_x,так как сигнал на управляющем входе переключателя 10 отсутствует, и U_xпроходит на выход, а сигнал 32 подключает в переключателе 9 к выходу сигнал с выхода переключателя 10. На четвертый вход ПНЧ 8 поступает напряжение U₀, так как сигнал 37 с помощью ключа 12 подает напряжение U₀ на делитель 14, а ключ 13 разомкнут и оно проходит без изменения на его выход. В ПНЧ 8 сигналы третьего и четвертого выходов суммируются и преобразуются в частоту F₁ K(U₀ + U_x), где K коэффициент преобразования ПНЧ 8.

Для одного периода t₁=1/F₁ этой частоты справедливо соотношение F₁t₁=1 или K(U₀ + U_x)t₁=1, откуда можно определить величину U₀t₁=1/K U_xt₁, которая будет использована в выражении для частоты F₂, формируемой ПНЧ 8 после t₁.

В течение первого периода t₁ через элемент И 22 в счетчик 19 поступит X₁= t₁•f импульсов f от генератора 15, которые образуют в нем код N₁ N₀ t₁f, где N₀ емкость счетчика 19.

С появлением первого импульса 33 триггер 28 устанавливается в единицу, его сигнал 35 с помощью переключателя 10 подает с выхода инвертора 11 на вход переключателя 9 и далее на вход ПНЧ 8 инвертированное напряжение -U_x. Начинается формирование ПНЧ 8 второй частоты F₂, в течение первого периода которой его входные напряжения переключаются. При этом напряжение - U_x подключено переключателем 9 к ПНЧ 8 до окончания времени T_и внешнего сигнала 32, длительность которого выбирается равной или кратной периоду помехи Т_п. Напряжение U₀ остается подключенным к ПНЧ 8 до снятия сигнала 34, что происходит в момент переполнения счетчика 19, на суммирующий вход которого, через элемент И 23 поступит X₁ импульсов f, т.е. при выполнении условия N₁ + X₁= N₀, и время подключения U₀ к ПНЧ 8 в этом периоде равно t₁. Общая длительность сигнала 34 будет равна 2t₁, после окончания которого для случая T_и<2t₁ (второй пример на фиг.2) или после окончания T_и, если T_и>2t₁ (первый пример на фиг.2) напряжение U₀ изменяется на U_и и в течение t₂ длительности сигнала 40 до окончания формирования первого периода F₂ подключается к ПНЧ 8.

Для этого периода справедливо соотношение: К[U₀t₁ - U_x(T_и T₁) + U_иt₂]1 или U_иt₂=1/K - U₀t₁ + U_x(T_и t₁).

Подставляя в это выражение значение U₀t₁, полученное при описании периода t₁, будем иметь: U_иt₂=1/K 1/K + U_xt₁ + U_x(T_и T₁) или U_иt₂=U_xT_и и U_x= U_и/T_иt₂.

В течение t₂ разрешена работа элемента И 23 и через него на счетчик 19 поступит X₂ импульсов f, образующих код X₂=t₂f, а в течение времени T_и разрешена работа элемента И 24 и через него на счетчик 17 поступит N_и импульсов f и будет получен код N_и=T_иf. Используя эти выражения для предыдущего значения U_x, получим: U_x=U_и/N<Mv>•X<D>₂. Значение X₂ будет соответствовать величине U_x и не зависеть от N_и, если U_и будет формироваться по величине N_и, например, U_и= ΔΝ_и,, где Δ - квант АЦП. Для этого случая U_x=ΔX₂ и код X₂, сформированный в счетчике 19, представляет собой результат преобразования, который передается по шинам 7. Его готовность подтверждается сигналом 41 по шине 6, преобразование заканчивается и разрешается очередной запуск АЦП импульсом 31.

Формирование U_и выполняется с помощью делителя напряжения 14 и ключа 13, закорачивание которого уменьшает выходное напряжение, подаваемое на вход ПНЧ 8. Если принять, что наибольшее время измерения T_и равно T₀=N₀f, и ему соответствует напряжение U_o=N_oΔ, то в течение времени t₂ (фиг. 2, сигнал 40) ключ 13 должен быть разомкнут. При уменьшении времени T₀ на t_и время измерения T_и=T₀-t_и и соответственно должно быть уменьшено напряжение U_и. Для этого с помощью счетчика 17 и импульсов f за время T_и получается код
N_и=N₀ t_>иf=N₀ n_и
Этот код после каждого из импульсов f по сигналам элемента задержки 30, которые имеют небольшую задержку относительно первых на время переходных процессов в счетчике 17, записывается в счетчик 18. Наличие единицы хотя бы в одном из его разрядов приводит к появлению сигнала на выходе элемента ИЛИ 27. Этот сигнал проходит через элемент И 25, так как его работа разрешена в течение временного интервала 40, и запускает генератор 16, импульсы f_y которого поступают на счетный вход счетчика 18. Работа генератора 16 будет продолжаться до поступления в счетчик 18 n_и импульсов f_y, когда в нем произойдет переполнение, т.е. N_и+n_и=N₀, и установится нулевой код во всех разрядах. Это произойдет через время t_и= n_и/f_y, в течение которого по сигналу с выхода элемента И 25 ключ 13 будет замкнут и на выходе делителя 14 напряжение U₀ будет иметь меньшую величину.

Для наибольшего времени измерения T_и, равного T₀, с его окончанием в счетчике 18, имеющем емкость N₀, будет получен нулевой код (t_и=0, n_и=0) и замыкание ключа 13 не происходит. При наименьшем времени T_и, которому соответствует наибольшая величина t_и, равная t_н(T_н=T₀ t_н), целесообразно иметь замкнутое состояние ключа 13 в течение t₂. Из этого условия можно выбрать параметры делителя 14 и установить величину частоты f_y.

Величина T_н= T₀ t_н= (N₀ n_н)1/f и ей должна соответствовать величина U_н= Δ(Ν_o-n_н),, поэтому при замкнутом ключе 13 выходное напряжение делителя 14 должно уменьшаться на величину Δ•n_н. Делитель 14 может быть выполнен на двух резисторах, величины сопротивлений которых выбираются с учетом этой величины и с учетом величины сопротивления внутреннего резистора ПНЧ 8. Для обеспечения других величин U_н, соответствующих значениям T_п, частота f_y, частота f_y должна быть увеличина по сравнению с f в n_н раз, т.е. f_y=n_нf, чтобы за один период частоты f получить среднее значение выходного напряжения делителя 14, равное , которое будет действовать в течение всего времени t₂ (фиг 2, 40). В этом случае среднее значение за время 1/f формируется из двух напряжений, сначала из U_н в течение времени n_и/f_y, а затем из U₀ до окончания периода 1/f=n_н/f_y.

Величина будет равна:

Напряжение равно напряжению U_и, которое использовалось в выражениях, описывающих период формирования частоты F₂, и оно будет поступать в ПНЧ 8 в течение времени t₂. Так как T_и=(N₀ - n_и)1/f, а , то с изменением T_и соответственно изменяется величина , а так как их отношение остается постоянным, то это не влияет на результат преобразования:

В результате этого предлагаемый АЦП в отличие от прототипа допускает изменение времени измерения входного напряжения, которое задается по внешнему сигналу в соответствии с изменениями периода T_п переменного напряжения помехи, наложенной на преобразуемый сигнал. Благодаря этому коэффициент подавления помехи в АЦП остается высоким, тогда как в прототипе это приведет к дополнительным погрешностям. Так, например, при изменении T_п на ±5% что соответствует изменению частоты сети питающего напряжения, и при выборе T_и, равным наибольшему периоду T_п, для наименьшего периода T_п отношение T_и/T_п= 1,1 и коэффициент K_п уменьшается до величины . Для этого случая погрешность в результате преобразования будет равна 0,087 U_п. При величине U_п= 15% U_xm дополнительная погрешность от U_п может достигать величины
U_п/K_п=1,3% U_xm=0,13% U₀.

В предлагаемом АЦП обеспечивается интегрирование входного напряжения за время T_и=T_п и дополнительная погрешность от U_п будет отсутствовать. Но необходимо отметить, что введение делителя напряжения и формирование вносит дополнительные погрешности, в результате преобразования.

В делителе напряжения 14 погрешность обуславливается величинами отклонения сопротивлений резисторов от номиналов. Поэтому в нем необходимо использовать прецизионные резисторы, например, отечественные резисторы типа C2-C29, погрешность от которых не будет превышать 0,03%
В ключе 13 погрешность будет обуславливаться, в основном, остаточной величиной сопротивления r_кл замкнутого ключа и временем t_кл его переключения. Поэтому в качестве ключа 13 необходимо использовать быстродействующий ключ, например, из отечественной серии 590 ключ 590 КН 8 с r_кл=70 Ом и t_кл=3 нсек. При этом влияние этих параметров на погрешность АЦП уменьшается, так как ключ 13 осуществляет подключение сигнала, который составляет часть от максимального сигнала, преобразуемого АЦП.

Для рассматриваемого примера наибольшая величина уменьшения U₀ при изменении T_и должна быть равна Δn_и= 0,1 U_o. Это выполняется с помощью делителя 14, поэтому при равенстве сопротивлений резистора, подключенного к U₀, входному сопротивлению ПНЧ 8, равному 100 кОм, величина сопротивления резистора, подключенного к ключу, будет равна 450 кОм и сигнал, подключаемый ключом 13 будет соответствовать величине 0,2 U₀. Этот сигнал за время преобразования наибольшего входного сигнала будет подключать ключом 13 N₀ раз, образуя погрешность, равную среднему значению напряжения за время T_и=T_п от подключения 0,2 U₀ в течение времени N₀t_кл:
0,2U₀ • N₀t_кл1/T_п 0,2U₀N₀ •3•10^-9сек•1/20•10^-3сек 0,03 • 10^-3U₀ Величина r_кл=70 Ом составляет 0,015% от сопротивления резистора, подключаемого ключом 13, а погрешность от t_кл 0,003% от U₀. Поэтому совместное влияние полных величин этих параметров резистивного делителя 14 и ключа 13 на общую погрешность результата преобразования составит не более 0,048% что меньше одного кванта результата преобразования АЦП.

При реализации АЦП общая погрешность может быть уменьшена, если ввести коррекцию величин этих параметров, путем изменения сопротивления резисторов делителя напряжения 14. Тогда погрешность будет определяться изменениями во времени и от температуры отклонений сопротивлений резисторов от номиналов, величин r_кл и t_кл, которые составляют небольшую часть от их полных величин.

С учетом этого должна проводиться количественная оценка получаемого технического эффекта. Поэтому дополнительная от U_п погрешность прототипа, имеющего квант Δ = 0,1% U_o,, в предлагаемом АЦП уменьшена в когда общая погрешность от введенных в АЦП делителя напряжения 14 и ключа 13 не превышает кванта D. В приведенном примере количественной оценки этой погрешности это условие выполняется, так как она составляет 0,48 Δ,,. и погрешность прототипа в предлагаемом АЦП уменьшается более чем в 13 раз.

Реализация АЦП не вызовет каких-либо трудностей, так его можно выполнить на узлах и элементах прототипа, включая ПНЧ с компенсацией зарядов интегрирующего конденсатора, сохранив без изменения все их параметры. При этом выбор длительности внешнего сигнала, определяющий время интегрирования T_и, должен выполняться с учетом получения требуемого общего времени преобразования, а минимальная длительность этого сигнала должна быть больше наибольшей длительности t₁.

Использование: в области импульсной техники, в частности АЦП с промежуточным преобразованием входного напряжения в частоту импульсов. Сущность изобретения: с целью повышения точности преобразователя за счет исключения дополнительных погрешностей, аналого-цифровой преобразователь (АЦП) содержит преобразователь напряжения в частоту импульсов, два счетчика, реверсивный счетчик, два триггера, генератор импульсов, три элемента И, два ключа, логический и аналоговый инверторы, элемент задержки, элемент ИЛИ, управляемый генератор импульсов и делитель напряжения. 2 ил.

Аналого-цифровой преобразователь, содержащий преобразователь напряжения в частоту импульсов, первый вход которого является шиной нулевого потенциала, первый элемент И, первый вход которого объединен с первыми входами второго и третьего элементов И и подключен к выходу генератора импульсов, а выход подключен к счетному входу первого счетчика, вход установки в исходное состояние которого является шиной запуска и объединен с единичным входом первого триггера и входом установки в исходное состояние реверсивного счетчика, выходы которого являются шиной результата преобразования, а суммирующий и вычитающий входы подключены к выходам соответственно третьего и второго элементов И, второй вход которого соединен с единичным выходом первого триггера, отличающийся тем, что в него введены второй счетчик, управляемый генератор импульсов, первый и второй ключи, второй триггер, логический инвертор, элемент задержки, четвертый, пятый и шестой элементы И, элемент ИЛИ, делитель напряжения, аналоговый инвертор, первый и второй переключатели, первый информационный вход последнего из которых является входной шиной преобразуемого напряжения и через аналоговый инвертор подключен к своему второму информационному входу, управляющий вход объединен с единичным выходом второго триггера, с вторым и первым входами соответственно третьего и пятого элементов И, а выход соединен с первым информационным входом первого переключателя, второй информационный вход которого является шиной нулевого потенциала и объединен с информационным входом второго ключа, управляющий вход является входной шиной времени измерения и объединен с вторым и первым входами соответственно первого и шестого элементов И, а выход соединен с вторым входом преобразователя напряжения в частоту импульсов, третий вход которого является шиной готовности результата и объединен с выходом четвертого элемента И, четвертый вход соединен с выходом делителя напряжения, а выход подключен к счетному входу второго триггера, нулевой вход которого объединен с шиной запуска, нулевой выход соединен с третьим и первым входами соответственно второго и четвертого элементов И, второй вход последнего из которых подключен к нулевому выходу первого триггера и к вторым входам пятого и шестого элементов И, выход последнего из которых подключен через логический инвертор к третьим входам третьего и пятого элементов И и к управляющему входу первого ключа, информационный вход которого является шиной опорного напряжения, а выход соединен с первым входом делителя напряжения, второй вход которого подключен к выходу второго ключа, управляющий вход которого объединен с входом управляемого генератора импульсов и с выходом пятого элемента И, четвертый вход которого соединен с выходом элемента ИЛИ, входы которого подключены к соответствующим выходам второго счетчика, счетный вход которого подключен к выходу управляемого генератора импульсов, информационные входы к соответствующим выходам первого счетчика, а вход записи кода через элемент задержки к выходу генератора импульсов, выход переполнения реверсивного счетчика подключен к нулевому входу второго триггера.