Функциональный аналого-цифровой преобразователь Советский патент 1984 года по МПК G06G7/26 G06J3/00 

счетчика, а выходом - к входу управления реверсом второго счетчика, причем первый сигнальный вход первого мультиплексора соединен с вторьм сигнальным входом второго мультиплексора выход второго тактового генератора подключен к счетному входу третьего счетчика, соединенного выходами разрядов с информационными входами регистра, а входом обнуления - с управляющим входом второго тактового генератора и-первым выходом триггера

13

управления, подключенного вторым выходом к стробирующему входу триггера полярности, соединенного информационным входом с выходом неинвертируюцего операционного усилителя, а выход ограничителя через третий масштаб й резистор подключен к выходу третьего ключа, соединенного информационным входом с входом инвертирующего интегратора, а утфавлякхцям входом - с входом порогового блока.

Изобретение относится к автоматике и вычислительной технике, в частности к преобразователям аналоговой величины в код, предназначенным для компенсации нелинейности измерительных датчиков. Известен функциональный аналогоцифровой преобразователь, содержащий интегратор, ключи, источники опорных напряжений, компаратор, логический блок, сумматоры переключатель, инвертор, и масштабный блок tl3. Известен также функциональный ана лого-цифровой преобразователь, содер жащий интегратор, ключи, масштабные резисторы, источник опорного напряже ния, триггер, токовый генератор, счетчик и компаратор 2. . Общие недостатки зтих преобразователей - пониженная точность и ограни ченная область применения. Наиболее близким к изобретению является функциональный аналого-цифровой преобразователь, содержащий регистр, выходы которого являются вы ходами преобразователя, а вход-управ ления записью соединен с выходом порогового блока, подключенного входом к входу ограничителя и выходу неинвертирующего операционного усилителя, соединенного входом с выходом инвертирующего интегратора, вход которого подключен к выходам первого и второго ключей, информационный вход первого ключа через первый масштабный резистор соединен с входом преобразователя, информационный вход второго клю(ча подключен к первому выводу второго масштабного резистора, а управляющие входы первого и второго ключей соединены соответственно с первым и вторым выходами триггера управления, подключенного счетным входом к выходу старшего разряда первого счетчика, соединенного счетным входом с выходом переноса второго счетчика, подключенного счетным входом к выходу первого тактового генератора, и источник опорного сигнала, содержащий узел формирования производной, группу потенциометров и два мультиплексора, причем узел формирования производной выходом соединен с вторым выводом второго масштабного резистора, управляющими входами - с выхода| б1 разрядов второго счетчика, а аналоговыми входами - с выходами первого и второго мультиплексоров, управляющие входы которых подключены к выходам разрядов первого счетчика, причем каждый потенциометр группы соединен первым и вторым выводами с выходом ограничителя и шиной общего потенциала преобразователя соответственно, вывод подвижного контакта каждого i-го (1 i 4 п -1. где п- количество потенциометров в труппе) потенциометра группы подключен к (i + 1)-му сигнальному входу первого мультиплексора и к i -му сигнальному входу второго мультиплексора, а вывод подвижного контакта 1 -го потенциометра группы соединен с 1 -м сигнальным входом второго мультиплексора, причем информационные 3 входы регистра соединены с выходами первого и второго счетчиков ЗЗ. Недостаток преобразователя - пониженная точность из-за невозможности автоматической установки значения параболической составляющей на первом интервале аппроксимации, а также из-за включения между выходом ограни чителя и входом неинвертирующего интегратора источника опорного сигнала коэффициент передачи которого может быть существенно меньше единицы,что снижает глубину отрицательной обратной связи в уравновешенном режиме. Кроме этого, преобразователь не позволяет осу чествить вывод информации непосредственно в единицах измере.ния и не имеет индикации полярности преобразуемого сигнала, что ограничи вает область его применения. Цель изобретения - повышение точ .ности преобразователя и расширение области его применения. Поставленная цель достигается тем что в функциональный аналого-цифрово преобразователь, содержащий регистр выходы которого являются выходами преобразователя, а вход управления записью соединен с выходом порогово го блока, .подключенного входом к вхо ду ограничителя и выходу неинверти рующего операционного усилителя, сое диненного входом с выходом инвертирующего интегратора, вход которого подключен к выходам первого и второго ключей, информационный вход перво го ключа через первый масштабный резистор соединен с входом преобразова теля, информационр1ый вход второго ключа подключен к первому выводу вто рого масштабного резистора, а управляющие входы первого и второго ключей соединены соответственгю с первы и вторым выходами триггера управле-. ния, подключенного счетным входом к выходу старшего разряда первого счет чика, соединенного счетнь(м входом с выходом переноса второго счетчика, подключенного счетным входом к выходу, первого тактового генератора, и источник опорного сигнала, содержащий узел формирования производной, группу потенциометров и два мультиплексора, причем узел формирования производной выходом соединен с вторы выводом второго масштабного резистора, управляющими входами - с выходам 13 разрядов второго счетчика, а аналоговыми входами - с выходами первого и второго мультиплексоров, управляющие входы которых подключены к выходам разрядов первого счетчика, причем каждый потенциометр группы соединен первым и вторым выводами с выходом ограничителя и шиной общего потенциала преобразователя соответственно, вывод подвижного контакта каждого i-ro (1 1 п - 1, где п - количестЬо потенциометров в группе) потенциометра группы подключен к (i + 1)-му сигнальному входу первого мультиплексора и к i-му сигнальному входу второго мультиплексора, а вывод подвижного контакта п -го потенциометра группы соединен с п-м сигнальным входом второго мультиплексора, дополнительно введены третий счетчик, второй тактовый генератор, третий ключ, триггер полярности, третий масштабный резистор и дешифратор, подключенный входами к выходам разрядов первого счетчика, а выходом - к входу управления реверсом второго счетчика, причем первый сигнальный вход первого мультиплексора соединен с вторым сигнальным входом второго мультиплексора, выход второго тактового генератора подключен к счетному входу третьего счетчика, соединенного вькодами разрядов с информационными входами регистра, а входом обнуления - с управляющим входом второго тактового генератора и первым выходом триггера управления подключенного вторым выходом к стробируюшему входу триггера полярности, соединенного информационным входом с выходом, неинвертирующего операционного усилителя, а выход ограничителя через третий масштабный резистор под ключен к выходу третьего ключа, соединенного информационным входом с входом инвертирующего интегратора, а управляющим входом - с выходом порогового блока. На фиг. 1 изображена блок-схема предлагаемого функционального аналого-цифрового преобразователя,на фиг. 2 - функциональная схема источника опорного сигнала, на фиг. 3 - схема второго тактового генератора. Функциональный аналого- цифровой преобразователь (фиг. 1) содержит первый и второй масштабные резисторы 1 и 2, первый и второй ключи 3 s t и 4, инвертирующий интегратор 5. третий ключ 6, третий масштабнь резистор 7, неинвертирующий операционный усилитель 8, пороговый блок 9, триггер 10 управления, ограничитель 11, источник 12 опорного сигнала, первый и второй счетчики 13 и 14, дешифратор 15, первый тактовый генератор 16, третий счетчик 17, второй тактовый генератор 18, триггер 19;полярности и регистр 20. Источник 12 опорного сигнала (фиг.. 2) содержит первый мультиплексор 21, группу 22 потенциометров, второй мультиплек сор 23 и узел 24 формирования производной. Регистр 20, выходы которого являются выхода1«1 преобразования, соединен входом управления записью с выходом порогового блока 9, подклю ченного входом к входу ограничителя 11 и выходу операционного усилителя 8. Вход усилителя 8 соединен с выходом интегратора 5, вход которого под ключен к выходам ключей 3 и 4, инфор мационный вход ключа 3 через масштаб ньй резистор 1 соединен с входом пре образователя информационный вход ключа 4 подключен к первому -выводу масштабного резистора 2, а управляющие входы кJвoчeй 3 и 4 соединены соответственно с первым и вторым выходами триггера 10. Счетный вход триггера 10 подключен к выходу старшего разряда счетчика 13, соединенного счётнь входом с выходом переноса счетчика 14, подключенного счетным входом к выходу тактового генератора 16. Узел 24 формирования производной соединен выходом с вторым выводом масштабного резистора 2, управляющими входами - с выходами разрядо счетчика 14, а аналоговыми входами с выходами мультиплексоров 21 и 23, управлякмцие входы которых подключены к выходам разрядов счетчика 13. Каждый потенциометр группы 22 соединен первым и вторым вьшодами с выходом ограничителя 11 и шиной общего потенциала преобразователя соответственно. подвижного контакта каждого i-го (1 i i ч - 1, где п - количество потенциометров в груп- пе потенциометра группы 22 подключен к (i + 1)-му сигнальному входу мультиплексора 21 и к i-му сигнально му входу мультиплексора 23, вывод подвижного контакта л-го потенциометра группы 22 соединен с п-м сигмощью ограничителя 11 сформировать опорное напряжение необходимой полярности, которое подается на вход источника 12 опорного сигнала. Счетчики 13 и 14 непрерывно производят.подсчет импульсов тактового генератора 16, а в момент возвращения в нулевое состояние - переключают триггер 3 нальным входом мультиплексора 23, а первый сигнальный вход мультиплексора 21 соединен с вторым сигнальным входом мультиплексора 23. Дешифратор 15 подключен входами к выходам разрядов счетчика 13, а выходом - к входу управления реверсом счетчика 14. Выход тактового генератора 18 подключен к счетному входу счетчика 17, соединенного выходами разрядов с информационными входами регистра 20, а входом обнуления - с управляюпщм входом тактового генератора 18 и с первым выходом -триггера 10, второй триггера 10 подключен к строби рующему входу триггера 19, соединенного информационньш входом с вьпсодом усилителя 8. Выход ограничителя 11 через резистор 7 подключен к выходу ключа 6, соединенного информационным входом с входом интегратора 5, а управляющим входом - с выходом порогового блока 9. Тактовый генератор 18 с управляющим входом (фиг. 3), по которому осуществляется фиксация фазы, содержит резистор 25, вкгаоченный между управ- ляюищми входом и базой транзистора 26, источник 27 смещения, времязадающий конденсатор 28, переменньй резистор 29, резисторы 30 и 31 положительной обратной связи и операционынй усилитель 32. В первом такте интегрируется входное напряжение, приложенное к входу интегратора через резистор 1 и ключ 3. Этому способствует соответствуюЩее состояние триггера 10 управления. Поскольку усилитель 8 обладает большим коэффициентом усиления, то практически вместе с поступлением тока на вход интегратора 5 он попадает в режим насыщения, при этом фазы передачи сигнала интегратором 5 и усилителем 8 выбраны таким образом, что напряжение насьвцения на выходе усилителя 8 всегда имеет противоположную полярность по отношению к полярности входного напряжения преобразователя. Это позволяет с по7110 управления. При этом размыкается ключ 3 и замыкается ключ 4, подключа тем самым к входу интегратора 5 через резистор 2 выход источника 12 опорного сигнала. Источник 12 опорно го сигнала не меняет полярность напряжения, поступающего от ограничителя 11, поэтому интегратор начинает разряжаться. Разряд продолжается до тех пор, пока интегратор 5 не возвра тится в исходное состояние, после че го интегратор 5 и усилитель 8 оказываются охваченньвда обратной отрицательной связью через ограничитель 1 и источник 12 опорного сигнала, что позволяет исключить разрядный ключ дпя емкости интегратора 5 и устра- нить погрешность преобразования, свя занную со сдвигом на входе усилителя 8. Выходное напряжение источника 12 опорного сигнала является функцией ВЫХОДНОГО кода счетчиков 13 и 14, поэтому функция разряда интегратора является нелинейной, что позволяет осуществить функциональное преобразование значений входного сигнала. Источник 12 опорного сигнала фун ционирует в соответствии с выражени ем и,,.„4.1,ц-к,,,. где Ug- выходное напряжение ограни чителя, 1,, коэффициенты деления поте циометров группы 22, испол зуемых на i -м участке аппроксимации, mat кодовый интервал, соответст вующий каждому участку аппроксимации, - текущее значение кода внутри интервала О, ). После интегрирования это выражение преобразуется в первую интерпол .ционную формулу Ньютона, вычисленну до вторых разностей, которая позволяет определить значение параболической составляющей на всех участка аппроксимации, кроме первого. Определение параболической составляющей на этом участке можно осуществить, используя вторую интерполяционную формулу Ньютона, при этом функция 38 передачи источника 12 опорного сигнала имеет вид fliib пни- ((4-КИ L 5 Таким образом, значение Btopoft разности в данном случае находят по известным значениям первых разностей. При зтом значение выходного напряжения источника 12 опорного сигнала для первого и второго участков аппроксимации в их общей узловой точке составляет U ( К, К j )/2. Следовательно, первая производная функции линеаризации на обоих участках не Имеет разрывов и является (без учета квантового характера) прямой линией. Поэтому выходное напряжение интегратора 5 для этих двух участков аппроксимации является точной параболой. При сокращении числа узлов функции линеаризации до двух устройство реализует степенную функцию второго порядка, программируемую по трем точкам (нуль, максимум и одно промежуточное значение), преобразуясь в параболический аппроксиматор. Для реализации рассмотренного алгоритма первый сигнальный вход мультиплексора 21 соединен с вторым сигнальным входом мультиплексора 23, что позволяет на первом и втором участках аппроксимации использовать одно значение второй разности, а для формирования кодовой последовательf K./v. f в счетчике 14 ности вида использован реверсивный режим работы. Для включения реверса на первом участке аппроксимации используется дешифратор 15, подключенный к выходам разрядов счетчика 13. Очевидно, что использование реверса на первом участке аппроксимации приводит к нарушению однозначной связи между значениями входного напряжения и выходным кодом счетчиков 13 и 14 Поэтому в устройство введен счет- чик 17, наличие которого позволяет не только обеспечить необходимое функциональное соответствие между входным напряжением и индицируемым результатом, но и осуществить индикацию результата преобразоваршя непосредственно в единицах измеряемого параметра, что достигается путем установки необходимой частоты тактового генератора 18 при программировании с- по91

мощью потенциометра 22. Для обеспечения точного фазового соотношения между кодами, счетчиков 13, 14 и 17 в первом такте интегрирования с соответствующего выхода триггера 10 управления на вход обнуления счетчика 17 поступает сигнал -сброса, который снимается одновременно с началом второго такта интегрирования.

В процессе ввода значений К i при программировании в программный блок 22 с помощью соответствующих коммутирующих устройств вход счетчика 17 подключается к выходу тактового генератора 16, при этом обеспечивается абсолютная согласованность кодовых последовательностей счетчиков во втором такте интегрирования.

В рабочем режиме, когда входы , счетчиков 14 и 17 подключены соответственно к выходам тактовых генераторов 16 и 18, возникает фазовая погрешность за счет фазовой несог-ласованности импульсных последовательностей обоих тактовых генераторов, что проявляется в неустойчивости отсчета в младшем разряде выводимого результата. Для устранения этой неустойчивости в структуре тактового генератора 18 предусмотрена цепь фиксации фазы, содержащая резистор 25, транзистор 26 и источник 27 смещения, которая управляется с соответствующего выхода триггера 10 управления и позволяет обеспечить постоянную фазу выходного напряжения тактового генератора 18 с начала второго такта интегрирования.

11

3813Р

В момент установления начального режима в интеграторе 5 на выходе порогового блока 9 формируется импульс, п.о переднему фронту которого осу5 ществляется запись кода счетчика 17 в регистр 20, откуда информация следует к устройствам индикации результата. Кроме того, выходной импульс порогового блока 9 замыкает ключ 6, при этом сигнал обратной связи с выхода ограничителя 11 поступает на вход интегратора 5, минуя источник 12 опорного сигнала.

Использование ключа 6 и резистора 7 позволяет исключить влияние коэффициентов передачи группы 22 потент иометров на точность установки начальных условий интегратора 5, особенно при наличии сдвигл на его входе, и повысить точность преобразования.

Для расширения области применения преобразователя и упрощения процесса программирования в нем используется триггер 19 полярности, запись информации о полярности входного сигнала в который осуществляется в момент окончания первого такта интегрирования, что обеспечивает максимальную помехозащищенность записи информации о полярности входного сигнала.

Таким образом, введение новых.узлов и элементов позволяет повысить точность предлагаемого преобразователя и расширить область его применения а также сократить объем операций программирования и исключить использование квалифицированного труда при эксплуатации устройства.

ивыл

Фиг.2