Аналого-цифровой преобразователь с промежуточным преобразованием напряжения в частоту Советский патент 1984 года по МПК H03K13/20 

Изобретение относится к цифровой измерительной технике и может быть использовано в устройствах для изме рения постоянных или изменяющихся. во времени напряжений .и в частности в геофизической аппаратуре, работаю щей по методу переходных процессов. Известен аналого-цифровой преобразователь с поомежуточным преобразованием напряжения в частоту и подсчетом импульсов за стабильный; интервал времени Cl3, Недостатком данного преобразоват ля является низкая разрешающая способность, ограниченная дискретность отсчета импульсов за интервал времени. Наиболее близким к изобретению является аналого-цифровой преобразо ватель с промежуточным преобразованием в частоту, содержащий интегратор, выполненный на операционном усилителе-, неинвертирующий вход которого соединен с общей Шиной, а к инвертирующему входу подключены пер вый вывод первого резистора и перва обкладка конденсатора, вторая обкладка которого подключена к выходу операционного усилителя, ключ, вклю ченный между входной шиной и вторым Выводом первого резистора, второй резистор, первый вывод которого подключен к инвертирующему входу операционного усилителя, пороговый элемент, вход которого подключен к выходу onepaiiR.QHHoro усилителя, первый триггер, сброса которого подключен к выходу порогового элемента а выход - к первому входу элемента И и к второму выводу второго резисто ра, таймер, вход которого соединен с тактовнгл входом преобразователя и вторым входом элемента И, первый счетчик, вход которого по5дключен к выходу элемента И, и второй триггер 1:21. Недостатком известного преобразователя является низкая точность, ограниченная разрешающей способность которая при заданном быстродействии определяемым интервалом времени, в течение которого производится подсчет выходных импульсов, ограничивается максимально допустимой частотой тактовьж импульсов. Целью изобретения является повышение точности. Поставленная цель достигается тем что в аналого-цифровой преобразователь с промежуточным преобразовани.ем напряжения в частоту, содержащий интегратор, выполненный на операцион ном усилителе, неинвертирующий вход которого соединен с общей шиной, а к инвертирующему входу подключены первый вывод первого резистора и пер вая обкладка конденсатора, вторая обкладка которого подключена к выходу операционного усилителя, ключ. включенный между входной шиной и вторым выводом первого резистора, второй резистор, первый вывод которого подключен к инвертирующему входу операционного усилителя, пороровый элемент, вход которого подключен к выходу операционного усилитечя, первый триггер, вход сброса которого подключен к выходу порогового элемента, а выход - к первому входу элемента И и к второму выводу второго резистора г таймер, вход которого соединен с тактовой шиной и вторым входом элемента И, первый счетчик, вход которого подключен к.выходу элемента и, и второй триггер, введены третий резистор и второй счетчик, первый вход которого подключен к выходу переполнения первого счетчика, а второй вход через третий резистор соединен с инвертирующим входом операционного усилителя интегратораи непосредственно с выходом второго триггера,информационный вход которого соединен с выходом интегратора,а тактируюгций вход - с тактовой шиной,причем первый и второй выходы таймера подключены соответственно к управляющему входу ключа и установочному входу первого триггера. I На фиг.1 представлена (Функциональная схема преобразователя на фиг.2 временные диаграммы сигналов. Устройство содержит интегратор, выполненный на операционном усилителе 1 с конденсатором 2 в цепи обрат.ной связи и первым резистором 3, включенным последовательно с ключом 4 между входной шиной и неинвертирующим входом усилителя 1. К управляющему входу ключа 4 подключен выход таймера 5, а к выходу усилителя 1 - информационный вход второго триггера 6, выход которого через третий резистор 7 соединен с инвертирующим входом усилителя 1 инепосредственно - с входом второго счетчика 8. К второму выходу таймера 5 подключен установочный вход первого триггера 9j выход которого через второй резистор 10 соединен с инвертирующим входом усилителя 1. К выходу усилителя 1 подключен -вход порогового элемента 11, выход которого соединен с входом сброма первого триггера 9. К выходу первого триггера 9 подключены первый вход элемента И 12, второй вход которого соединен с тактовым входом преобразователя, входом таймера 5 и тактовым входом второго триггера 6, а выход - с входом первого счетчика 13. Выход переполнения счетчика 13 соединен с входом второго счетчика 8. На Лиг.2 приведены временные диаграм 1Ы напряжений: а - входное напряжени Ugj, , б - напряжение на выходе ключа в - напряжение на выходе интегратора г - импульсы грубого счета, д - импульсы точного счета.

Устройство работает следующим образом.

На вход интегратора, представляющего собой операционный усилитель 1 с конденсатором 2 в цепи обратной связи и резистором 3 на входе, подае ся через ключ 4 измеряемое напряжени UBX (фиг.2). Ключ 4- вырезает из полного входного напряжения отдельный участок (фиг.26) , длительность которго Т определяется временем замыкания ключа 4. Управление ключом 4 осуществляется; от таймера 5, причем начало и конец временного интервала Т, в течение которого ключ 4 замкнут, синхронизованы импульсами тактовой частоты {т При подаче входного напряжения на вход усилителя 1 происхрдит заряд конденсатора 2 и напряжение на выходе усилителя повышается, Когда напряжение на информационном входе триггера б достигает порога срабатывания, происходит опрокидывание триггера 6 по переднему Фронту ближа:йшего тактового импульса. При этом с выхода триггера 6 через резистор 7 на вход интегратора начинае поступать компенсирующий ток, что . приводит к понижению напряжения на выходе интегратора и возвращению триггера 6 в исходное состояние по переднему фронту следующего тактового импульса. Процесс повторяется до тех пор, пока на входе интегратора действует входное напряжение. При этом напряжение на выходе интегратора имеет пилообразную форму (фиг.2 Длительность компенсирующих импульсов на выходе триггера б равна периоду тактовой частоты , а амплитуда этих импульсов определяется напряжением питания триггера 6.

Если питание триггера 6 осущестт вляется от источника калиброванного напряжения, то на выходе триггера будем иметь -импульсы стаоильной и калиброванной вольт-секундной площади. Количество этих импульсов за интервал времени Т, в течение которрго ключ 4 замкнут, пропорционально интегралу от входного напряжения за тот. же промежуток времени; Импульсы с выхода триггера 6 подаются на счетчик 8 и подсчитываются в нем. Эти импульсы (фиг.2 г) будем условно называть импульсами грубого .счета

Поскольку формирование компенсирующих импульсов происходит дискретно, а входное напряжение поступает на интегратор непрерывно, то, в общем случае, в конце временного интервала Т полной компенсации входного

напряжения действием компенсирующих импульсов не происходит. Это приводи к наличию на выходе интегратора некоторого некомпенсированного напряжения и

В конце вре,менного интерост

вала Т на установочный вход триггера

9подается импульс от таймера 5, что приводит к опрокидыванию триггера 9 и подаче на вход -интегратора компенсирующего тока с выхода триггера 9 через резистор 10. Это приводит к понижению напряжения .,: на выходе интегратора до уровня порога срабатывания порогового элемента 11, который, срабатывая, возвращает триггер

9 в исходное состояние. При этом прохождение компенсирующего тока через резистор 10 прекра1чается В эле.менте и 12 происходит заполнение интервала времени, в течение которого с выхода триггера 9 протекает компенсирующий ток, импульсами тащтовой частоты {j . Импульсы на выходе элемента И 12 (фиг.2-3) будем условно называть импульсами точного счета. Длительность интервала времени, в течение которого происхрдит счет импульсов точного счета, однозначно определяют величину напряжения UOCT Импульсы точного счета подаются на вход счетчика 13. Если сопротивление резистора 10 выбрать в п раз больше сопротивления резистора 7 и если амплитуды наНряжений, снимаемых с выходов триггеров б и 9, равны, то компенсирующие токи через резисторы 7 и

10будут отличаться в п раз и для компенсации одного и того же заряда конденсатора 2 током, проходящим через резистор 10, потребуется интервал времени в п раз больше, чем для тока, проходящего через резистор 7. Интервал времени, в течение которого через резистор 10 проходит ток компенсации, определяется числом импульсов, снимаемых с выхода элемента И 12.

Таким образом, с помощью импульсов то-.ного счета определяется величина остатка напряжения на конденсаторе 2 в конце временного интервала, причем одному импульсу грубого счета с.тавится в соответствие п импульсов точного счета. Счетчик 13 имеет m разрядов и при заполнении всех его разрядов на счетчик 8 подается единица переноса. С выходов счетчиков 8 и 13 снимается кодовая комбинация, соответствующая среднему значению измеряемого напряжения в интервале времени выборки Т, Разрешающая способность аналого-цифрового преобразователя при этом .увеличивается на число разрядов, котррое имеет счетчик 13, а интервал времени выборки Т остается неизменным, за счет увеличения разрешающей способности повышается точность. Повышение точности и увеличение разрешакидей способности аналого-циФрового преобразователя расширяет область применения этих устройств в первую очередь для измерения напряжений, значительно изменяющихся во времени. При этом сохраняются неизменными такие положительные свойства преобразователей этого типа, как высокая помехоустойчивость, точность, линейность, температурная зависимость параметров, низкая стоимость.

Предлагаемое устройство использовано я макете аппаратуры для измерения напряжения переходного процесса. При этом разрешающая способность устройства составляла 16 дйоичных разрядов при времени выборки, соответствующему интервалу измерения,

пявнпмгг 1

равному

МС.

АНАЛОГО-ЦИФРОВОЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ С ПРОМЕЖУТОЧНЫМ ПРЕОБРАЗОВАНИЕМ НАПРЯЖЕНИЯ В ЧАСТОТУ, содержащий интегратор, выполненный на операционном усилителе, неинвертирующйй вход которого соединен с общей шиной, а к инвертирующему входу подключены первый вывод первого резистора и первая обкладка конденсатора, вторая обкладка которого подклю.чена к выходу операционного усилителя, ключ, включенный между входной шиной в- торым выводом Первого резистора. второй резистор, первый вывод которого подключен к инввртиру- ющему входу операционного усилителя, пороговый элемент, вход которо-. го подключен к выходу операционного усилителя, первый триггер, вход сброса которого подключен к выходу порогового элемента, а выход - к первому входу элемента И и к второму выводу второго резистора, таймер, вход которого соединен с тактовой шиной и вторым входом элемента И, первый счетчик, вход которого подключен к выходу элемента И, и вто;рой триггер, отличающийся тем, что, с пелью повышения точности, в него введены третий резистор и второй счетчик, первый вход которого подключен к выходу переполне(Л ния первого счетчика, а второй вход через третий оезистор соединен с инвертирующим входом операционного усилителя интегратора .и непосредственно с выходом второго триггера, информационный вход которого соединен с выходом интегратора, а такти РУЮ1ДИЙ вход - .с тактовоч шиной, причем первый и второй выходы таймера подключены соответственно к управляющему входу ключа и установочному входу первого триггера.

V

i

-а

V

пяпппп п

Z