Аналого-цифровой преобразователь с цифровой коррекцией Советский патент 1984 года по МПК H03K13/20 

входом сдвигЕцощего регистра, а прямой выход соединен через восьмой . элемент И с первым входом делителя с переменным коэффициентом, подключенного выходом к первым входам шестого и восьмого счетчиков и через второй формирователь с вторыми входами пятого, шестого и восьмого счетчиков и с первым входом четвертого триггера, второй вход которого соединен с вторым выходом шестого счетчика, а выход - с вторы входом пятого элемента И, подключенного выходом к первому входу

пятого триггера, второй вход которого соединен с выходом четвертого двоичного умножителя, а выход с вторым входом седьмого элемента И причем второй выход восьмого счетчика соединен с вторым входом делителя с переменным коэффициентом и через третий формирователь - с третьим входом восьмого счетчика, а второй выход первого аналогового ключа подключен к входам источников измеряемого и второго эталонного напряжений .

АНАЛОГО-ЦИФРОВОЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ С ЦИФРОВОЙ КОРРЕКЦИЕЙ, содержащий источники двух эталонных и измеряемого напряжений, выходы которых соответственно через первый, в-торой и третий аналоговые ключи соединены с входом преобразователя напряжение-частота, сдвигающий регистр, три выхода которого соединены с вторыми входами соответствующих аналоговых ключей и первыми входами первого, второго и третьего элементов И, генератор импульсов постоянной частоты, первый, второй, третий и четвертый двоичные умножители, входы которых соединены соответственно с выходами первого и второго, третьего и четвертого, пятого и шестого, седьмого и восьмого счетчиков, девятый счетчик, четвертый и пятый элементы И, первый вход крторого соединен с выходом третьего двоичного умножителя, о тличающийся тем, что, с целью повышения быстродействия, в него введены делитель с переменным коэффициентом, первый, второй и третий формирователи, шестой, седьмой, восьмой, девятый и десятый элементы И, первый, второй, третий, четвертый и пятый триггеры, блок вычитания, блок сравнения, элемент ИЛИ и десятый счетчик, вход которого соединен свыходом генератора импульсов по.стоянной частоты и с первым входом шестого элемента И, выход десятого счетчика соединен с первыми входами седьмого и восьмого элементов И, выход первого из которых соединен с первым входом четвертого элемента И, подключенного вторым входом к первому выходу сдвигаквдего регистра и выходом - к вычитающему входу первого счетчика, с первым входом девятого элемента К, подключенного вторым входом к второму выходу сдвигающего регистра, и выходом к вычитающему входу третьеi го счетчика., с вычитающим входом пятого счетчика, подключенного вто(Л С pbw выходом к первому входу блока сравнения, с первым входом десятого элемента И, подключенного вторым входом к выходу первого триггера и выходом к первому входу второго триггера, с входом счетчика, выход первого двоичного умножителя соединен с первым входом блока вычитания, второй вход кото :о рого подключен к выходу второго двоичного умножителя, а выход - к второму входу второго триггера, выход которого соединен с вторым входом :п шестого элемента И, подключенного выходом к входам второго, четверvi того и девятого счетчиков, выход третьего счетчика соединен с вторьм входом блока сравнения, третий вход которого соединен с третьим выходом сдвигающего регистра, а выход - с входом первого триггера, выход преобразователя напряжение-частота через первый, второй и третий элементы И подключен входу элемента ИЛИ, соединенного выходом через первый .формирователь с входом третьего триггера, инверсный выход которого соединен с

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в качестве автономного измерительного прибора, а также в системах автоматического измерения Известно устройство для аналого цифрового преобразования,содержащее преобразователь напряжениечастота-, аналоговые переключатели, источники двух эталонных напряжений и измеряемого напряжения, блок управления, элементы И, двоич умножитель, два суммирующих и реверсивный/ счетчики, элементы ИЛИ, генератор эталонной частоты Щ. Недостатком этого устройства яв ляется низкое быстродействие, так как для полного цикла измерений не обходимо иметь 3 подтакта и еще один такт, который по длительности соизмерим; с длительностью подтактов. Учитывая,что преобразователи напряжение-частота имеют невысокие частоты преобразования (по причине получения хорошей линейности пр образования), время на производств измерений может составить несколько секунд. Поэтому это устройство обладает низким быстродействием. Наиболее близким к предлагаемому является аналого-цифровой преоб разователь, содержащий источники двух эталонных и измеряемого напря жений, выходы которых соответствен чзрез первый, второй и третий аналоговые ключи соединены с входом преобразователя напряжение-частота, сдвигающий регистр, три выхода которого соединены с вторыми входами соответствующих аналоговых ключей и первыми входами первого, второго и третьего элементов И, генератор импульсов постоянной час TQTH, первый, второй, третий и четвертый двоичные умножители. входы которых соединены, соответственно, с выходами первого и второго, третьего и четвертого,пятого и шестого, седьмого и восьмого счетчиков, девятый счетчик, четвертый и пятый элементы И, первый вход которого соединен с выходом третьего двоичного умножителя Г2Э. Недостатком известного устройства является низкое быстродействие, обусловленное необходимостью проведения чет(лрех тактов измерения и большой длительностью каждого такта, равного длительности нескольких периодов импульсов частоты с выхода преобразователя напряжениечастота. Кроме того, низкое быстродействие устройства при измерении быстропротекающих процессов приводит к появлению значительной динамической погрешности в процессе измерения, так как за время аналого-цифрового преобразования измеряемое напряжение может измениться. Цешью изобретения является повышение быстродействия. Цель достигается тем, что в аналого-цифровой преобразователь с цифровой коррекцией, содержащий источники двух эталонных и измеряемого напряжений, выходы которых соответственно через первый, второй и третий аналоговые ключи соединены с входом, преобразователя напряжение-частота, сдвигающий регистр, три выхода которого соединены с вторыми входами соответствующих аналоговых ключей и первыми входами первого, второго и третьего элементов И, генератор импульсов постоянной частоты, первый, второй, третий и четвертый двоичные умножители, входы которых соединены соответственно с выходами первого и второго, третьего и четвертого, пячтого и шестого, седьмого и восьмого счетчиков, девятый счетчик, четвертый.и пятый элементы И, первый вход которого соединен с выходом третьего двоичного умножителя, введены делитель с переменным коэффициентом, первый, второй и третий формирователи, шестой, седьмой, восьмо девятый и десятый элементы И, первый, второй, третий, четвертый и пятый триггеры, блок вычитания, блок сравнения, элемент ИЛИ и десятый счетчик, вход которого соединен с выходом генератора импул сов постоянной частоты и с первым входом шестого элемента И, выход де сятого счетчика соединен с первыми входами седьмого и восьмого тов И, выход первого из которых соединен с первым входом четвертого элемента Н, подключенного вто рым входом к .первому выходу сдвигаю щего регистра и выходом - к вычитающему входу первого счетчика, с первым входом девятого элемента И, подключенного вторым входом к второму выходу сдвигающего регистра и выходом к вычитающему входу третье го счетчика, с вычитающим входом пятого счетчика, подключенного йтор выходом к первому входу блока сравнения, с первым входом десятого элемента И, подключенного вторым входом к выходу первого триггера и выходом к первому входу второго триггера, с входом седьмого счетчика, выход, первого двоичного умножителя соединен с первым входом блока вычитания, второй вход которюго подключен к выходу второго двоичного умножителя, а выход - к второму входу второго триггера, выход которого соединен с вторым входом шестого элемента И, подключенного выходом к входам второго, четвертого и девятого счетчиков, выход третьего счетчика соединен с вторым входом блока сравнения, третий вход которого соединен с третьим выходом сдвигакнцего регистра, а выход - с входом первого триггера, выход преобразователя напряжение-частота через первый, второй и третий элементы И подключен к входу элемен-. та ИЛИ, соединенного выходом через первый формирователь с,входом третьего триггера, инверсный выход которого соединен с входом сдвигающего регистра, а прямой выход соедине через восьмой элемент И с первым входом делителя с переменным коэффициентом, подключенного выходом к первым входам шестого и восьмого счетчиков, и через второй сЪормирователь с вторыми входами пятого. шестого,и восьмого счетчиков н с первым входом четвертого триггера, второй вход которого соединен с вторым выходом шестого счетчика, а выход - с вторым входом пятого элемента И, подключенного выходом к первому входу пятого триггера, второй вход которого соединен с выходом четвертого двоичного умножителя, а выход - с вторым входом седьмого элемента И, причем второй выход восьмого счетчика соединен с вторым входом делителя с переменным коэффициентом и через третий формирователь - с третьим входом восьмого счетчика, а второй, выход первого аналогового «люча подключен к входам источников измеряемого и второго эталонного напряжений. На чертеже представлена структурная схема устройства для аналого-цифрового преобразования с цифровой коррекцией погрешности. Устройство содержит источник 1 первого эталонного напряжения V , источник 2 измеряемого напряжения Vj(. / источник 3 второго эталонного напряжения У(п , ангипоговые ключи 4-6, преобразователь 7, напряжение-частота, сдвигающий регистр 8, элементы И 9-18, элемент ИЛИ 19, фс «рователи 20-22, делитель 23 с переменным коэффициентом деления, триггерь 24-28, генератор 29 импульсов постоянной частоты, сяетчики 30-39, имеющие одинаковую емкость, блок 40 сравнения, блок 41 вычитания, двоичные умножители 42-45, При этом выходы источников 1 и 3 эталонных напряжений и источника 2 измеряемого напряжений через первый 4, второй 6 и третий 5 ключи, соответственно, соединены с входом преобразователя 7 напряжейие-частота, три выхода сдвигающего регистра 8 соединены с вторыми входами соответствующих ключей и первыми входами элементов И 9-11, входы двоичных умножителей 42-45 соединены соответственно с выходами первоговосьмого счетчиков 31-38, вход счетчика 30 соединен с выходом генератора 29 импульсов постоянной частоты, и с первым входом элемента И 16, а выход счетчика 30 - с первыми входами элементов И 18 и 12, выход элемента И 18 соединен с первым входом элемента И 12, второй вход которого подключен к первому выходу сдвигающего регистра 8, .а выход - к счетчику 35. Входы элемента ИЛИ 19 соединены с выходами элементов И 9, 10 и 11, а выход - с входом формирователя 20. Входы блока 40 сравнения соединены с выходами счетчиков 34 и 35 и с одним из выходов сдвигающего регистра 8, а выход - с входом три гера 27, выход которого через элемент И 15 соединен с соответствующим входом триггера 28. Входы делителя 23 с переменным коэффициентом деления соединены с выходом счетчика 32, входом форкй рователя 22 и выходом элемента И 1 соответственно, а выход - с соответствующими входами счетчиков 32 и 33. Входы блока 41 вычитания под ключены к выходам двоичных умно-, жителей 44 и 45, а выход - к соответствующему входу триггера 28, выход которого подключен к второму входу элемента И 16. Устройство работает следующим образом. По команде Начальная установка (шины этой команды на чертеже не показаны) все триггеры устанавливаются в состояние О (сигнал запрета .с прямого плеча триггера и разрешение с инверсного), в сдви гающий . регистр 8 записывается в первый (мдадший) разряд, остальные разряды сдвигающего регистра 8 обнулены, коэффициент деления делителя 23 с переменным коэффициент устанавливается равным , в счетчики 34,35,37 и 39 устанавлива ется Е (полная емкость каждого счетчика), остальные счетчик« обнуляются. Команда Начальная установка снимается. Это момент начала измерения. Потенциал i с первого выхода (разряда) сдвигающего регистра дает разрешение на подключение ист ника 1 первого эталонного напряжения к входу преобразователя 7 напряжение-частота через аналоговый ключ 4. Импульсы частоты с выхода преобразователя 7 напряжение-часто та поступают через элемент И 9 (на другом входе которого разрешен с первого выхода сдвигающего регистра 8) и через элемент ИЛИ 19 на формирователь 20. По первому им пульсу этой частоты формирователь устанавливает триггер 24 в состояние , при этом формирователь формирует импульссброса, обнуляющий счетчики 32 и 33 и триггер 25 подтверждающий состояние счетчика (полная емкость). Это момент начала первого такта измерения. С. прямого плеча установленного в триггера 24 подается разре шение на первый вход элемента И 12 и через другой вход этого элемента импульсы переполнения с выхода сче чика 30 поступают на вход делителя 23 с переменным коэффициентом. Так как генератор 29 импульсов постояв ной частоты формирует импульсы высокой постоянной частоты, то и с выхода счетчика 30 импульсы переполнения будут постоянной частоты, уменьшенной по отношению к частоте генератора 29 импульсов постоянной частоты на емкость счетчика 30. С выхода делителя 23 с переменным коэффициентом, коэффициент деления которого установлен по начальной установке равным , импульсы поступают на входы счетчиков 32 и 33.- Как только триггер последнего разряда счетчика 33 установится в , он перебросит этим триггер 25 в , который дает разрешение на второй вход элемента И 17. дальнейшее появление импульсов на входе счетчика 33 вызовет появление импульса на выходе двоичного умножителя 43, который через элемент И 17 установит триггер 26 в , тем самым с выхода этого триггера дается разрешение на прохождение через элемент И 18 импульсов с выхода счетчика 30 на вход счетчика 31, что вызовет появление импульса на выходе двоичного умножителя 42. Этот :имп-ульс1 возвратит триггер 26 в О. Если на вход счетчика 33 продолжают поступать импульсы, то с выхода двоичного умножителя 43 поступит второй импульс, который через элемент И 17 поступит на вход триггера 26 и установит его в , импульсы с выхода счетчика 30 через элемент И 18 поступят на вход счетчика 31, и т.д. Этот процесс повторяется многократно в течение всего первого такта измерения. Если счетчик 32 переполнится, то импульс переполнения с его выхода поступит на установочный вход делителя 23 с переменным коэффициентом и установит коэффициент деления делителя 23 равным 2. Одновременно формирователь 22 установит триггер последнего разряда счетчика 32 в . Так, после первого импульса переполнения с выхода счетчика 32 коэффициент деления делителя 23 с переменным коэффициентом равен 2 2, после второго - , третьего 8, Поэтому число в счетчике 32 всегда пропорционально длительности временного интервала от момента начала первого такта, причем коэффициент пропор1шональности определяется коэффициентом деления делителя 23 с переменным коэффициентом . Импульсы с выхода элемента И 18 на первом такте поступают также на вычитающий вход счетчика 34 и через элемент И 13, на другом входе которого разрешение с первого выхода сдвигающего регистра 8, на вычитающ вход счетчика 37. По второму импульсу частоты с выхода преобразователя 7 напряжение частота формирователь 20 установит т|зиггер 24 в , перепадом сигнала, поступающего с ииверсного пле ча этого триггера на тактирующий вход сдвигающего регистра 8, из первого разряда этого регистра сдвинется во второй, а в первом , разряде останется О. Это момент окончания первого такта измерения. Отметим, что первый такт измерения по длительности равен одному периоду импульсов с вьлхода преобразователя 7 напряжение-частота. Разрешающий потенциал поступает с второго выхода сдвигающего регис ра 8 на аналоговый ключ 6, ключ 4 возвращен после первого такта в ис входное положение, поэтому последов тельно включенные источники 1 и 3 оказались подключены к входу преоб разователя 7 напряжение-частота. Первый импульс частоты с выхода преобразователя 7 напряжение-частота через элемент И 11 (на другом входе которого разрешающий потенциал с второго выхода сдвигающего регистра 8) и элемент ИЛИ 19 поступает на формирователь 20, который осуществляет установку в ч триг гера 24. Это начало второго такта измерения. Функционирование элементов устройства на втором такте протекает идентично описанному. Отличие только в том, что импульсы с выхода элемента И 18 через элемент И 13 не проходит,так как на втором входе этого элемента запрещающий потенциал с первого выхода сдвигающего регистра 8. Частота с выхода элемента И 18 во втором такте поступает через элемент И 14 (на другом входе которого разрешение с второго выхода сдвигающего регистра 8) на вычитающий вход счетчика 35. Второй импульс частоты с выхода преобразователя 7 напряжение-частог та, аналогично первому такту, является моментом окончания второго такта. Потенциал , перепадом с установленного в О триггера поступающего на тактирующий вход сдвигающего регистра 8, сдвигается в третий разряд. Отметим, что длительность второго такта равна одному периоду импульсов с выхода преобразователя 7 напряжение-частоПри поступлении на аналоговый ключ 5 разрешающего потенциала с третьего выхода сдвигающего регистра 8 последовательно включенные источники 1 и 2 оказываются подключенными к входу преобразователя 7 напряжение-частота. Первый (от момента появления i в третьем разряде сдвигающего регистра 8) импульс с выхода преобразователя 7 напряжение-частота через элемент И 10 (на другом входе которого разрешение с третьего выхода сдвигающего регистра 8) и элемент ИЛИ 19 поступает на вход формирователя 20. Это момент начала третьего такта измерения,, и далее формирование частоты на выходз элемента И 18 производится идентично описанному процессу на первом такте измерения. Отличие только в том, что импульсы с выхода элемента И 18 через элемент И 13 не проходят, так как на втором входе этого элемента - запрещающий потенциал с первого выхода сдвигающего регистра 8. Как указывалось при описании первого такта измерения, импульсы с выхода э-лемента И 18 поступают на вычитающий вход счетчика 34. В момент, когда на третьем такте код в счетчике 34 уменьшится до значения кода в счетчике 35 и, станет равным ему, схема 40 сравнения сформирует на выходе импульс, по которому триггер 27 установится в 1, тем самым разрешается прохождение импульсов с выхода элемента И 18 через элемент. И 15 на вход триггера 28. Триггер 28 работает циклично, устанавливаясь то в Опишем один такой цикл. Импульс с выхода .элемента И 18 через элемент И 15 устанавливает триггер 28 в . Тем самым формируется разрешение на прохождение импульсов с выхода генератора 29 импульсов постоянной частоты через элемент И 16 на суммирующие входы счетчиков 38 и 36, ина вычитающий вход счетчика 39. Появление импульсов на входе счетчиков 36 и 38 вызовет появление импульсов на выходах двоичных умножителей 44 и 45 соответственно, причем импульсы на выходе двоичного умножителя 44 будут формироваться чаще, так как число в счетчике 35, пропорцио- нальное максимальному эталонному напряжению Jn (это будет показано ниже) .больше числа в счетчике 37, пропорционального напряжению V. Импульсы с выходов, двоичных умножителей 44 и 45 поступают на входы блока 41 вычитания, с выхода которой формируется разностная частота. Первый же импульс этой частоты поступает на триггер 20, обнуляя его и запрещая тем самым прохождение импульсов через элемент Н 16. При поступлении следующего импульса с элемента И 18 через элемент И 15

триггер 28 вновь устанавливается в , И Еикл повторяется.

Импульсы с выхода элемента И 16 поступают на вычнтанмаий вход счетчика 39.Моментом окончания третьего такта измерения служит появление второго (от момента появления Ч в третьем разряде сдвигающего реггистра 8) импульса с выхода пре образователя 7 напряжение-частота« В момент окончания третьего такта в счетчике 39 будет зафиксирован результат; прямо пропортлиональны, измеряемому напряжению.

На первом, втором и третьем тактах измерения частоты импульсов с преобразователя 7 напряжение-частота определяются соответственно выражениями р fj, ку

F2 Fo iii:y,,vU,)

-Р jVK.--V) ,

где f частота на вйходе преобразователя 7 напряжениечастота на первом такте измерения

а - то же., на втором такте; Н - то же, на Т1 етьем такте В, начальная --частота преобразователя 7 напряжеиие часTOTajЧ. - крутизна преобразователя 7

напряжение частота, В общем случае PS и К нестабильны во времени из-за изменения тем- пературко-влазшостного режима работы, старения .комплектующим :; эле ментов и т.д. Однако на период измерения длительность .которого например, С;5 с, можйо считатьр . что РЬ const и к -- const.

По определеншо Яе f - частота Т - период этой частоты . Для КСДО.ВЫХ выражений имеем

А

М

й;

где N - код частоты;

.Мт - код периода этой частоты А const ЩЩ АГ

Если перибд.Т и. следовательЕ о, код S-5, .ают приращение, то

, (NT -.Н-гУ V - р )

где uHf - код приращения периода; t4r: - КОД приращения (уменьшения) частоты, вызванного приращением периода

ЛЫЛМт а,МтУМр-&Нт .

Зависимость реализуется на следукмдих элементах; в счетчике 34 - число Mf, в счетчик 33 поступает

число, uM-t , в счетчике 32 - число ( fc.Hi) , в счетчике 31 - число uMf В самом деле, по формуле двоичного умножителя

Na|Nax H,i ,

где Н - число в счетчике 34 Na число в счетчике 33 Ыч число импульсов на выходе

двоичного yтvIнoжитeля 43 Е - ерякость счетчика 3 4

(или 33) ,, Ан алогично имеем

- ,

где Ыъц число в счетчике 32; Ы - число в счетчике 31; Hijg - число импульсов на выходе

двоичного умножителя 42, Как было показано при описании работы устройства на первом такте, на каждый один импульс с выхода двоичного умножителя 43 приходится один импульс с выхода двоичного умиспкктвля 42; т.е. г,

Нз2-М5 .

Поступление импульсов в счетчик 33 характеризует., приращение париода, т.е, Мз5 аНт..

Как ук.азь валось вшае, число в счетчике 32 пропорционально .;измеряемому периоду, т.е. в любой момент времени

1Мз2 NT V д. H-SЗависимость между числом и числом .-Ыз такая же, как меж,цу Ыр и т,е. в счетчике 34 число пропорционально частоте, код периода которого .зафиксирован в счетчике 32.

Для упрощения примем, что этот коэф- . фициент пропорциональности равен 1 (изменение коэффициента пропорциональности осуществляется изменением начальной установки в счетчике 34) .

В момент окончания первого такта поэтому имеем

f 3 /iTAKV f 34 Np-1

В-момент окончания второгоТакта имеем

f 34Wli.T

В момент окончания третьего так.га имеем , ли

-WjithTI V;-; .

где Ыр2. Nfj коды частоты

-РЧ ,- 2. и РЗ. .

Количество импульсов, поступивших в третьем Тс1кте на вход триггера 28

с Bfcotofla элемента И 18 через элемент И 15, равно разности чисел в счетчиках 34 и 35, т.е,

CNj Vfttt Мс,-Ыр5 ..

На каждый один импульс, поступивий с выхода элемента И 18 через лемент И 15 на вход триггера 28, формируется один импульс на выходе схемы 41 вычитания, т.е. « Ь4 , где - количество импульсов на выходе схемы 41 вычитания.

м -Наб-1 « . так как

.

Из последнего выражения получаем

N.-N., bb...

Прибавим и отнимем NF, в левой части

(Nf.-Nr.,

Разделим обе части на - N , Ызб у,

е.

Отсюда

N,4.-E-f

гМри.

Число в счетчике 39 поэтому равно

м IT ч ,. г f N3,E-N,, E-f;j - E- -:

Замену кодов частот на значения частот произвести можно, так как они прямо пропорциональны.

ц, « ( г Ух ,vV.b-Fs-K-Vr Vm

0

Таким образом, в счетчике 39 получаем результат, прямо пропорциональный значению измеряемого напряжения.

0 равна трем периодам частоты на выходе преобразователя напряжение-частота, Необходимую точность измерения получают заданием дискретности представления временных интервалов,

5 т.е, значения частоты генератора импульсов постоянной частоты. Достоинством предлагаемого устройства по сравнению с известным является также уменьшение погрешности от не0 стабильности источника УХ « Поэтому источник V не требуется, выполнить эталонным, т.е. точным и стабильным во вр.емени, что приводит к упрощению устройства.