Аналого-цифровой преобразователь с частотным преобразованием Советский патент 1985 года по МПК H03M1/60 

Изобретение относится к импульс-. ной технике, в частности к преобразо вателям напряжения в цифровой код с промежуточным преобразованием в частоту импульсов. Известен аналого-цифровой преобра зователь (АЦП) с частотным преобразованием, содержащий преобразователь напряжения в частоту (ПНЧ), цифровой частотомер, вход КОТОРОГО соединен с выходом ПНЧ 1 . Недостатком данного АЦП является зависимость результата преобразования от времени преобразования и от крутизны преобразований ПНЧ. Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является аналого-цифровой преобразователь,содержащий аналоговый переключатель, через которьй клеммы входного и опор ного напряжений подключены к входу управляемого генератора (ПНЧ), выход которого соединен через первую схему И с входом реверсивного счетчика, выходы которого соединены с выходом дешифратора нулевого кода, генератор эталонной частоты выходом через вторую схему И соединенный с входом счетчика формирования временного интервала, одновибратор гашения который соединен выходом с входом сброса счетчика формирования временного интервала и с единичными входам триггеров цикла и такта, первый из которых единичным выходом подсоединен к вторым входам схем И, третьи входы которых соединены с выходом одновибратора блокировки со схемой ИЛИ на входе, нулевым входом - к вы ходу переполнения реверсивного счет чика, а второй единичньм выходом к первому входу схемы ИЛИ, управляющему входу аналогового переключателя и управляющему входу суммирования реверсивного счетчика, нулевым выходом - к вычитанэдему входу последнего и к второму входу схемы ИЛИ а нулевым входом - к выходу переполнения счетчика временного интервала С2). Недостатком этого устройства является малое быстродействие преобразования. Цель изобретения - повышение быст родействия. Поставленная цель достигается тем, что в аналого-цифровой преобразователь с частотным преобразованием содержащий аналоговый переключатель первый информационный вход которого соединен с входной шиной, а выход с входом преобразователя напряжения в частоту импульсов, выход которого соединен с первым входом первого элемента И, генератор эталонной частоты, выход которого соединен с первым входом второго элемента И, одновибратор гашения, выход которого соединен с входом сброса первого счетчика и с единичным входом триггера такта, единичньм выход которого соединен с управлямцими входами аналогового переключателя и суммирования реверсивного счётчика, нулевой выход - с управляющим входом вычитания реверсивного счетчика, а нулевой вход - с выходом переполнения первого счетчика, триггер цикла, единичный выход которого соединен с вторьт входом второго элемента И, а нулевой вход - с выходом переполнения реверсивного счетчика, элемент ИЛИ, введены аналоговьй ключ, второй счетчик, третий и четвертый элементы И, аналоговый вычитатель, первый вход которого соединен с шиной опорного напряжения, выход - с вторым информационным входом аналогового переключателя, второй вход - с выходом аналогового ключа, информационный вход которого соединен с входной шиной, а управляющий вход - с выходом четвертого элемента И, первый вход которого соединен с единичным вьрсоединичный вход дом триггера цикла, которого соединен с нулевым входом триггера такта, при этом второй вход четвертого элемента И соединен с первый входом третьего элемента И и с единичньм выходом старшего разряда второго счетчика, нулевой выход старшего разряда коте ого соединен с вторым входом первого элемента И, выход которого соединен со счетным входом второго разряда первого счетчика, а третий вход - с единичным выходом триггера такта и с вторым входом третьего элемента И, выход которого соединен с первым входом элемента ИЛИ, второй вход которого соединен с выходом второго элемента И, а выход - с входом первого разряда первого счетчика, выходы разрядов которого соединены с выходными шинами, причем третий вход третьего элемента И соединен с выходом генератора эталонной частоты и со счетным входом второго счетчика, вход

сброса которого соединен с входами сброса первого и реверсивного счетчиков, счетный вход последнего соединен с выходом преобразователя напряжения в частоту импульсов.

На фиг.1 изображена блок-схема АЦП; на фиг.2 - временная диаграмма работы АЦП.

Аналого-цифровой преобразователь содерлсит шину 1 запуска, одновибратор 2 гашения, первый счетчик 3, триггер 4 цикла, триггер 5 такта, реверсивный счетчик 6, объединенньй с дешифратором нулевого кода, аналоговый переключатель 7, преобразователь 8 Hanpflжения в частоту импульсов, входную шину 9, генератор 10 эталонной частоты, элемент ИЛИ t1, элементы И 12-15, аналоговый ключ 16 и вычитатель 17, шину 18 опорного напряжения, второй счетчик 19, выходные шины 20 кода результата преобразования.

На временной диаграмме обозначены: сигнал 21 запуска АЦП в работу, выходные 1 сигналы 22 и 23 триггеров цикла 4 и такта 5, выходной О сигнал 24 старшего разряда счетчика 19, сигналы 25 и 26 включенного состояния элемента И 12 и 14, импульс 27 переполнения счетчика 3, сигнал 28 включенного состояния ключа 16, сигнал 29 подключения к ПНЧ 8 опорного напряжения, импульс 30 переполнения счетчика 6 и окончания преобразования.

В аналого-цифровом преобразователв (фиг.1) входная шина 9 соединена с первым входом аналогового переключателя 7, выход которого соединен с входом преобразователя 8 напряжения в частоту импульсов, выход которого соединен с входом реверсивного счетчика 6 и к первому входу первого элемента И 12, входные шины 18 опорного напряжения соединены с суммирующим входом аналогового вычитателя 17, имеющего ключ 16 на вычитаияцем входе, и выходом подключенного к второму входу аналогового переключателя 7, вход ключа 16 подключен к входной шине 9, генератор 10 эталонной частоты,выход которого соединен с входом второго счетчика 19 и с первым и третьим входами второго и третьего элементов И 13 и 14 соответственно, одновибратор 2 гашения, вход которого соединен с шиной 1 запуска, а выход,с входами сброра счетчиков 3, 6 и t9 и с единичным входом триггера 5 такта, единичный вьгход которого соединен с третьим и вторьм входами первого и третьего элементов И 12 и 14 соответственно, с управлягацим входом аналогового переключателя 7 и управляющим входом суммирования реверсивного счетчика 6, нулевой выход - с управляющим входом вычитания последнего, а нулевым входом - с выходом переполнения первого счетчика 3 и с единичным входом триггера 4 цикла, единичш)1й выход которого соединен с вторым входом второго элемента И 13 и с первым входом четвертого элемента И 15, а нулевой вход - с выходом переполнения реверсивного счетчика 6, выходные шины 20 соединены с выг ходами первого счетчика 3, счетный вход второго разряда которого соединен с выходом первого элемента И 12 а счетный вход его мпадшего разряда - с выходом элемента ИЛИ 11, второй вход которой соединен с выходом второго элемента И 13, а первый вход - с выходом третьего элемента И 14, первым входом подсоединенной к второму входу четвертого элемента И 15 и к единичному выходу старшего разряда счетчика 19, а нулевой выход последнего соединен с вторым входом первого элемента И 12.

АЦП работает следующим образом.

По сигналу 21 запуска одновибратор 2 устанавливает в исходное состояние все счетчики 3, 6 и 19ив 1 состояние триггер 5 такта. Начинается первый такт измерения входного сигнала, который по входной шине 9 с помощью переключателя 7 подается на вход ПНЧ. Выходные импульсы ПНЧ 8 поступают на вход младшего разряда реверсивного счетчика 6 и через элемент И 12 - на вход второго младшего разряда счетчика 3. Одновременно импульсы эталонной частоты от генератора 10 подсчитываются счетчиком 19, Старший разряд этого счетчика с помощью сигналов с его О и 1 выходов управляет элементами И 12, 14 и 15.

В АЦП частота fj генератора 10 выбрана такой, что за время, равное половине времени измерения (- Т;) в счетчик 19 поступает число импульсов NO) равное его половинной емкости Nt , т.е. NC T,f, , (1) где Np - емкость счетчиков 3 и 6, как и в прототипе, а частота генератора 10 увеличена вдвое. За это время (сигнал 25 длительностью J TO) в счетчике 3 накопляется число импульсов NM , поступающих от ПНЧ 8 и удваиваемых, благодаря их подаче на вход второго младшего разряда: N,,2U,| T,S UxT.S. Это число представляет собой промежуточный результат преобразования По истечении времени Т, старший разряд счетчика 19 переходит из О состояния (сигнал 24) в 1 и включает элемент И 14 (сигнал 26), От генератора 10 импульсы поступают на вход младшего разряда счетчика 3 через элемент И 14 и элемент ИЛИ 11 Накопленное в нем число N увеличива ется и через время Т, равное Т - т -м -- - 2 t f наступает переполнение счетчика 3 (сигнал 27) и во всех его разрядах устанавливается нулевой код. Сигнал 27 устанавливает в О сос соетояние триггер 5 такта и в тояние триггер 4 цикла. Триггер 4 цикла сигналом 23 с 1 выхода открывает элементы И 13 и 15. Через первый иэ них импульсы от генератора 10 поступают на вход счетчика 3 через элемент ИЛИ 11, а второй включает ключ 16, который подключает Ujj к вычитающему входу вычитателя 17 и на его выходе формируется сигнал ли Uj-Ux, так как к суммирующему входу вычитателя с шины 18 подано напряжение и,. Триггер 5 такта выходными сигнала ми с помощью переключателя 7 отключа ет ПНЧ 8 Ux и подключает к нему ли, вьвслючает элементы И 12 и 14, переключает реверсивный счетчик 6 на режим вычитания. С этого момента начинается такт . -„. компенсации (сигнал 28) накопленного числа N в счетчике 6 N,U,(| T,-fT,),(T,-N,,|-)S (4) импульсами от ПНЧ 8. на входе к.о.торого действует напряжение . Второй такт заканчивается при переполнении счетчика 19, т.е. через .время TO, когда заканчивается изме- ; рение входного сигнала Длительность второго такта с учетом выражения (3) равна (| T,+T,)N,,|- , Б течение второго такта в счетчик 3, которьй перед его началом имеет во всех разрядах нулевой код, поступает N импульсов от генератора 10, и таким образом в нем автоматически восстанавливается код промежуточного результата преобразования N, полученный ранее вначале первого такта преобразования. За это же время Т2 в счетчике 6 выполняется вычитание числа импульсов N : N2 aUT2S(Uj-U)N 1- S, (6) Для обеспечения полной компенсации числа N числом N., (N Nj,) необходимо, чтобы соотношения между параметрами имели следующий вид: UX(TO-N,, )(,)N,, -i- n-1- л ,N,, J-опри , , U, Из-за разброса и нестабильности „„„ „ параметров ПНЧ 8 и в основном из-за влияния параметра S на получение промежуточного результата преобразов счетчике б может остатьвания N ся число .,,-Nj, которое с учетом (4) и (6) равно ,T,S-U,N,, В третьем такте это число компенсируется импульсами от ПНЧ до нуля. Время этой компенсации определяет длительность Т, третьего такта коррекции промежуточного результата преобразования N.. „о окончании второго такта переключается старший разряд счетчика 19 в О состояние и его выходные сигналы 24 выключают элемент И 15 и ключ 16. Поэтому на вход ПНЧ 8 поступает от вычитателя 17 напряжение и. (сигнал 29). Начинается третий такт коррекции промежуточносо результата N)( импуль-ями пт г-енрра7.11507 тора 10, KoTopbDi проходит через элемент И 13 и Ш1И 11 на счетчик 3. За время Tj на вход счетчика 6 поступает Nj импульсов: N,U,T5S, а на вход счетчика 3 импульсов: , R момент компенсации числа dN импульсами N3, когда выполняется равен ство (12), на выходе счетчика 6 появляется сигнал 30 его переполне ния, по которому триггер 4 цикла устанавливается в О состояние, и на этом преобразование заканчивается. Подставив в выражение (12) значения N,N3 (9) и (10) и используя (11 получаем «Г и,-Г N,,+N) Таким образом, по окончании третьего такта получается числовой экви валент N. входного напряжения U ,,+N,J , (14) код которого устанавливается на выходных шинах 20. При этом на получение NX затрачено время T,+T,(2N,+N,j)4. и является положительным эффектом изобретения. Эффективность изобретения по увеличению быстродействия зависит от велцчины затрат времени на третий такт коррекции, длительность которого увеличивается по сравнению с временем измерения Т. При наличии полной компенсации во втором такте и . При недокомпенсации время Tj определяется из выражения (10), используя (12) и (9): т - : - У т -и т S (16) 3- u,s и, « - fc Если в АПП путем подстройки крутизны ПНЧ обеспечить соотношение па(1Т) , то Т, рав стграметров69 но нулю, и время преобразования равно времени измерения Т, или , . Но разброс и нестабильность во времени параметров А1Щ приводит к уменьшению крутизны ПНЧ, т.е. 5 5д-Л8. Это приводит к необходимости выполнения третьего такта, максимальная длительность Tj которого при с учетом выражений (17) и (18) равна .n,Vo|-.Sr -N 1 т uS im xm 5 f -NO 5 { -J Из этого выражения видно, что дополнительные затраты времени Tj на получение N.;. по сравнению с временем измерения Т незначительны и зависят от разброса и нестабильности крутизны ПНЧ, т.е. от - Относительная величина затрат времени Т в сравнении с временем измерения Т входного сигнала равна Т 1 S Т .(21) т 2 -S ™. Максимальное время преобразования при в АЦП равно Tnpm To+Tj T,() (22) Таким образом, сравнивая это врес временем преобразования прототипа , видно, что оно уменыпилось в к раз и равно Таким образом, в предлагаемом АЦП достигнуто повышение быстродействия по сравнению с прототипом. Преобразование в АЦП вьтолняется в течение времени измерения, обеспечивая существенное сокращение или даже полное устранение затрат времени на третий такт коррекции промежуточного результата преобразования, получаемого в первом такте измерения.

&

«еэ

(S v V

/ ч

РГ

L -ZETIZL

«Ч

S2

7 W t ч

70474 STf :

АНАЛОГО-ЦИФРОВОЙ ПРЕОВРАЗОВАТЕЛЬ С ЧАСТОТНЫМ ПРЕОБРАЗОВАНИЕМ, содержащий аналоговый переключатель, первьй информационньй вход которого соединен с входной шиной, а выход - с входом преобразователя напряжения в частоту импульсов, выход которого соединен с первым входом первого элемента И, генератор эталонной частоты, выход которого соединен с первым входом второго эле-. : мента И, одновибратор гашения, выход которого соединен с входом сброса., первого счетчика и с единичным входом триггера такта, единичный выход которого соединен с управлякяцими входами аналогового переключателя и суммирования реверсивного счетчика, нулевой выход -.с управляющим входом вычитания реверсивного счетчика, а нулевой вход - с выходом переполнения первого счетчика, триггер цикла, единичный выход которого соединен с вторым входом второго.элемента И, а нулевой вход - с выходом переполнения реверсивного счетчика, элемент ИЛИ, отличающийс я тем, что, с целью повьшения . быстродействия, в него введены аналоговый ключ, второй счетчик, третий и четвертый элементы И, аналоговый вычитатель, первый вход которого соединен с шиной опорного напряжения, выход - с вторым информационным входом аналогового переключателя, а второй вход - с выходом аналогового ключа, информационный вход которого соединен с входной шиной, а управляющий вход - с выходом четвертого элемента И, первый вход которого соединен с единичным выходом триггера цикла, единичньй вход которого i (Л соединен с нулевым входом триггера такта, при этом второй вход четвертого элемента И соединен с первым входом третьего элемента И и с единичным выходом старшего разряда второго счетчика, нулевой выход старшего разряда которого соединен с вторым входом первого элемента И, выход которого соединен со счетным входом СП второго разряда первого счетчика, а о третий вход - с единичным выходом триггера такта и с вторым входом треО5 тьего элемента И, выход которого соесо динен с первым входом элемента ИЛИ, второй вход которого соединен с выходом второго элемента И, а выход - с входом первого разряда первого счетчика,выходы разрядов которого соединеныс выходными шинами,причем третий вход третьего элемента И соединен с выходом генератора эталонной частоты и со счетным входом второго счетчика,вход сброса которого соединен с входами сброса первого и реверсивного счетчиков,счетный вход последнего соединен с выходом преобразователя напряжения в частоту импульсов.

n

Tr

J55

/

v

r

H

СЧ1

Т