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

Изобретение относится к измерител ной технике и может быть использовано при создании цифровых измерительных приборов. Известны интегрирующие аналогоцифровые преобразователи (АЦП), имею щие замкнутую структуру, характеризующиеся высокой точностью и помехо устойчивостью. Принцип действия таких преобразователей основан на методе преобразования со сравнением, причем для повышения помехоустойчивости входная величина интегрируется за фиксированный интервал времени, равный циклу преобразования (Тц Результат интегрирования в частном цикле преобразуется во временной интервал Т путем сравнения с развертывающей функцией. Преобразовани интервала времени Tjf в цифровой код выполняется цифровым измерителем временного интервала. Высокая точность преобразования обеспечивается, введением импульсной отрицательной обратной связи (ИОС), которая реализуется путем формирова Пия импульсов обратной связи с воль секундной площадью, пропорциональной интервалам времени Т. В установившемся режиме среднее значение входного напряжения и напряжения обратной связи равны. Тем самым обеспечивается высокая точность, определяемая в конечном итоге точностью задания вольт-секундной площади импульсов обратной связи, которая при использрвании широтно-импульсной модуляции может быть реализована с высокой точностью. Высокая помехоустойчивость, как указывалось выше, достигается за счет интегрирования входного напряжения за цикл преобразования Тц. При выполнении условия кратности цик ла преобразования Т ц периоду помехи Т, т.е,,„ где m -1, 2, .. . ; Т„ - номинальное значение периода помехи, происходит полное подавление помехи 1, Недостатком подобных интегрирующих аналого-цифровых преобразователей является то, что отклонение периода помехи от номинального (среднего) значения приводит к резкому уменьшению помехоустойчивости, так как не выполняется условие кратности цикла преобразования периоду помехи Если Tflt (1±е) Тп,, где - относительное отклонение пе риода помехи от номинального значения, то помехоустойчивость равна p(e)--2oege Как видно из формулы отклонение в 1Уо(С0,01) снижает помехоустойчи вость до 40 дБ. Как указывалось вьлше, интегрирующие аналого-цифровые преобразователи с замкнутой структурой характеризуются высокой статической точностью,. однако им свойственна динамическая погрешность, обусловленная интегрированием входной величины за цикл преобразования. Эта погрешность может быть оценена по формуле :,. ..U licTuy ЙЭ- 24 24 где if - частота входного сигнала; 21М(;Тц- относительная частота вход- . ного сигнала. Как видно из формулы, динамическая погрешность убывает по мере умень шения Тц и fg , но минимальное значение Тц определяется периодом помехи т, поэтому заданную динамическую погрешность можно получить только путем уменьшения верхней частоты входного сигнала t . Так, например, при ij. 1/6 Тц динамическая погрешность f, с 41. Наличие динамической погрешности значительно сужает область применения подобных АЦП. Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является аналого-цифровой преобразователь, содержащий двухвходовый интегратор, первый вход которого соединен с входным зажимом устройства, а второй - с выходом ключа, вход которого подключен к выходу источника образцового напряжения, а управляющий вход ключа и вход цифрового измерителя интервалов времени подключены к выходу компаратора, первый вход которого подключен к выходу аналоговой ячейки памяти, а второй вход - к выходу генератора линейно-изменяющегося напряжения, причем управляющие входы аналоговой ячейки памяти и генератора линейно-изменяющегося напряжения подключены к выходу генератора тактовых импульсов 2 , Присущие интегрирующим АЦП методическая динамическая погрешность и снижение помехоустойчивости при неравенстве периода помехи циклу преобразования свойственно и устройству-прототипу, что является его недостатками. I Цель изобретения - повышение точности и помехоустойчивости., Поставленная цель достигается тем, что в аналого-цифровой преобразователь, содержащее двухвходовый интегратор, первый вход которого . сбедйнен с входным зажимом устройства, а второй - с выходом ключа, вход которого подключен к выходу источника образцового напряжения, а управляющий вход ключа и вход цифрового измерителя интервалов времени подключены к выходу компаратора, пер вый вход которого подключен к выходку аналоговой ячейки памяти, а второй вход к выходу генератора линейно-изменяющегося напряжения, причем управляющие входы аналоговой ячейки памяти и генератора линейно-изменяющегося напряжения подключены к выходу генератора тактовых импульсов, введен трехвходовый интегратор, выход которого подключен к входу анало говой ячейки памяти, первый вход соединен с выходом двухвходового интегратора, а второй и третий входы соединены.с соответствующими входе№4И двухвходового интегратора. На фиг. 1 представлена структурная схема преобразователя; на фиг. 2 - временные диаграммы, поясняющие его работу. Аналого-цифровой преобраэова тель содержит источник 1 образцового напряжения, ключ 2, двухвходовый интегратор 3, аналоговую ячейку 4 памяти, компаратор 5, цифровой измеритель 6 интервалов времени, генератор 7 тактовых импульсов, генератор 8 линейно-изменяющегося напряжения, твехвходовый интегратор 9. Вход двухвходового интегратора 3 соединен с входньл зажимом устройст ва, а другой с выходом ключа 2, вход которого подключен к выходу источника 1 образцового напряжения, а управляющий вход ключа 2 и вход цифрового измерителя б интервалов времени подключены к выходу компаратора 5, первый вход которого подключен к выходу аналоговой ячейки 4 памяти а BTOpo.i вход к выходу генератора 8 линейно-изменяющегося напряжения. Причем управляющие входы аналоговой ячейки 4 памяти и генератора 8 линей но-изменяющегося напряжения подключены к выходу генератора тактовых импульсов. Вькод трехвходового инте гратора 9 подключен к входу аналого вой ячейки 4 памяти, один из входов соединен с выходом двухвходового интегратора 3, а два других входа соединены с соответствующими входам двухвходового интегратора 3. Рассмотри;- работу АЦП при скачко образном входном воздействии и нуле вых начальных условиях на интеграторах. На фиг. 2 представлены соответст вующие временные диаграммы работы АЦ В течение первого цикла работы напряжение на выходе интегратора 3 на растает линейно и в конце цикла при мет значение «/f Uu.W

где С, - постоянная времени интегратора 3.

I

65 где f - весовой коэффициент Напряжение на выходе интегратора 9 в первом цикле преобразования будет изменяться под действием входного напряжения 1 и выходного напряжения интегратора 3 и.Тц и,Тц D,t ид 7 2,t, г, где 17 постоянная времени интегра тора 9; 06 - весовой коэффициент. Примем 2 - Тц (1ц Uu, 1 {0,5+«)U,. Напряжение Uu D записывается в конце цикла преобразования в аналоговую ячейку 4 пг1мяти. Одновременно с моментом записи осуществляется запуск генератора 8 линейно изменяющегося напряжения, которое посредством компаратора 5 сравнивается с напряжением, хранящимся в ячейке 4. линейно-изменяющееся напряжение увеличивается в течение Первой половины цикла от нуля до напряжения UQ и уменьшается от Ug ДО нуля во второй половине, благодаря этому на вход цифрового измерителя 6 интервалов времени в начале и конце цикла поступают равные интервалы времени, пропорциональные напряжению с выхода ячейки 4 памяти. Совокупность аналоговой ячейки 4 памяти, компаратора 5, генератора 7 тактовых импульсов, генератора 8 линейно изменяющегося напряжения осуществляет преобразование в интервал времени IY. мгновенных значений напряжений интегратора 9, относящихся к фиксированным моментам, отстоящим друг от друга на интервал времени Тц, т.е. тг 1 T W---7Т7Г-. где tt - номер цикла. Во втором цикле преобразования на соответствующие входы интеграторов 3 и 9 поступает опорное напряжение U(j источника 1 опорного напряжения на время Т в начале и в конце цикла. Эта операция осуществляется посредством ключа 2. Напряжения на выходах интеграторов 3 и 9 к концу второго цикла работы без учета обратной связи будут равны Uu, t2l 2Ux, Uuj t2l-2(ot+l)Ux. Поскольку во втором цикле действует напряжение обратной связи, то -ZUoT.CO UuJ-zh- u,ТДО„ .2Т.СО iU 2 2U4i1Ux- U,Uu, 2i Uxai«c) UUj C2i U,(-0,5(3+l,5oi-e p-H,75) Если принять p«l,5, TO Uuj ( и не зависит от oL , в следухзщих циклах работы напряжеиие, записываемое 1 ячейку 4, будет также равно DX /поскольку сре нее значение напряжений по входам к дого интегратора за каждый последу щий цикл преобразований будет равно нулю. Таким образом, переходный процесс завершится за два цикла. В отличие от устройства-прототип предлагаемое устройство осуществляе двухкратное интегрирование входного напряжения, поэтому его передаточная функция будет иметь вид .-рТц (Л (О 1Чт - ---1 Соответствующий модуль получаем путем подстановки . 51пО;5Тци (1±е) т„ Если т, . i-c/ то значение коэф фициента помехоустойчивости равно P()-20egfrM| j o.-40eg MOEg(l-(iV4Tr Как видно из формулы отклонение в 1% (0,01) прнтг ив(« 1/- снижает помехоустойчивость до 71 дБ, Значение 0 выбрано из условия получения минимальной динамической погрешности .,b - i-lV-faK -(4-.VH«) при }f3sO,ooi ,00152 при ic1/бТц (Я 1) для устройствапрототипа динамическая погрешность равна 4%, а для предлагаемого устройства - 0,1%. Предлагаемый АЦП еет более высокую помехоусточивость, благодаря уменьшению влияния отклонения периода помехи от номинального значения Тц при фикс1фованном значении Тц на значение коэффициеита помехоустойчивости.

АНАЛОГО-ЦИФРОВОЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ, содержащий двухвходовый интегратор, первый вход которого соединен с входным аажимом устройства, а второй - с выходом ключа, вход которого подключен к выходу источника образцового напряжения, а управляющий вход ключа и вход цифрового измерителя интервалов времени подключены к выходу компаратора, первый вход которого подключен к выходу аналоговой ячейки памяти, а второй вход - к выходу генератора линейно-изменяющегося напряжения, причем управляющие входы аналоговой ячейки памяти и генератора линейно-изменяющегося напряжения подключены к выходу генератора тактовых импульсов, отличающийс я тем, что, с целью повышения точности и помехоустойчивости, в него введен трехвходовый интегратор, выход которого подключен к входу аналоговой ячейки памяти, первый вход Щ соединен с выходом двухвходового тегратора, а второй и третий входы соединены с соответствующими входами двухвходового интегратора.