Аналого-цифровой преобразователь Советский патент 1985 года по МПК H03M1/34 

Изобретение относится к импульсной технике и может быть использовано в приборостроении для связи первичных измерительных преобразователей физических параметров с цифровыми устройствами обработки информации автоматизированных систем управления.

По основному авт. св. № 984041 известен аналого-цифровой преобразователь, содержащий семь счетчиков импульсов, восемь элементов И, четыре формирователя импульсов, четыре триггера, элемент ИЛИНЕ, делитель частоты на два, элемент ИЛИ, ждущий мультивибратор, два ключа, блок управления записью в регистр нуля, потенциометр, резистор, конденсатор, регистр нуля, регистр памяти, два блока сравнения напряжений, первый вход первого из которых соединен с входной шиной, выход подключен к входу первого формирователя импульсов, первый вход второго блока сравнения подключен к движку потенциометра, вторые входы первого и второго блоков сравнения подключены к выходу первого ключа, входу второго ключа и первой обкладке конденсатора, вход первого ключа через зарядный резистор подключен к шине источника опорного напряжения и к первому выводу потенциометра, второй вывод которого, вторая обкладка конденсатора и выход второго ключа соединены с общей шиной, выход второго блока сравнения через второй формирователь импульсов подключен к первому входу первого триггера, второй вход которого соединен с вторыми входами второго и третьего триггеров, подключен к второму входу первого элемента И и второму входу третьего элемента И, второй выход первого триггера подключен к второму входу четвертого элемента И, выход которого подключен к второму входу элемента ИЛИ-НЕ, первый выход второго триггера подключен к второму входу второго элемента И и первому входу третьего элемента И, выход которого соединен с первым входом элемента ИЛИ-НЕ, выход которого подключен к третьим входам первого и второго элементов И и к входу третьего формирователя импульсов, выход которого соединен с входом ждущего мультивибратора, входом «Запись третьего счетчика импульсов и первым входом третьего триггера, первый и второй выходы которого подключены соответственно к входам второго и первого ключа, шина импульсов опорной частоты подключена к первым входам первого и второго элементов И, выходы которых подключены соответственно к суммирующему и вычитающему входам первого счетчика импульсов, разрядные выходы которого соединены с соответствующими входами второго счетчика импульсов, счетный вход которого подключен к шине импульсов тактовой

частоты, выходы разрядов третьего счетчика импульсов подключены к соответствующим шинам, а выход соединен со счетным входом седьмого счетчика импульсов, выходы разрядов которого подключены к соответствующим вторым входам регистра памяти, выход второго счетчика импульсов соединен с первым входом седьмого элемента И и с входом делителя частоты на два, выход которого подключен к счетному входу

0 четвертого счетчика импульсов, выход которого соединен с первым входом девятого элемента И, выход которого соединен с вторым входом элемента ИЛИ, выход которого подключен к вычитающему входу третьего счетчика импульсов, суммирующий

вход которого соединен с выходом седьмого элемента И, выходы переноса «- и «-|- третьего счетчика импульсов соединены соответственно с первым входом четвертого триггера и первым входом второго тригQ гера, второй выход которого подключен к вторым входам седьмого и девятого элементов И, выходы разрядов третьего счетчика импульсов подключены к соответствующим входам пятого счетчика импульсов и регистра нуля, выходы разрядов

5 которого соединены с соответствующими входами третьего счетчика импульсов, выход первого формирователя импульсов соединен с входом «Запись пятого счетчика импульсов и вторым входом блока управления записью в регистр нуля, первый вход

0 которого соединен с шиной импульса установки нуля, а выход подключен к входу «Запись регистра нуля, выход переноса «- пятого счетчика импульсов соединен с первым входом регистра памяти и входом четвертого формирователя импульсов, выход которого соединен с вторым входом первого триггера, входами «Сброс третьего и четвертого счетчиков импульсов и вторым входом четвертого триггера, выход которого подк тючен к входу «Сброс

0 седьмого счетчика импульсовС.

Недостатком известного изобретения являются ограниченные функциональные возможности при использовании его, например, в системе дозирования сыпучих материалов. В таких системах в условиях связанного

5 многокомпонентного весового дозирования требуется следить за работой нескольких тензодатчиков, аналоговые сигналы с которых несут информацию о массе дозируемого материала. Избыточность или отсутствие материала на таре, а также достижение измеряемой массы определенного промежуточного значения являются оперативной информацией, которая должна поступать незамедлительно к оперативному или в АСУ ТП, что требует создание сложной

5 схемы в случае аппаратной реализации анализа кода с аналого-цифрового преобразователя.

Цель изобретения - расширение функциональных возможностей преобразователя. Поставленная цель достигается тем, что в известный преобразователь введены три дополнительных счетчика и три дополнительных триггера, выходы которых соединены с третьими входами регистра памяти, первые входы - с выходом четвертого триггера и с первыми входами дополнительных счетчиков, а вторые входы - с выходами дополнительных счетчиков соответственно, вторые входы которых соединены с выходом шестого счетчика, а третьи входы с соответствующими шинами задания порога. На чертеже представлена функциональная схема устройства. Аналого-цифровой преобразователь содержит счетчики 1-7 импульсов, элементы 8-16И, первый и второй блоки 17 и 18 сравнения напряжений, формироВ;Этели 19- 22 импульсов, триггеры 23-26, элемент 27 ИЛИ-НЕ, делитель 28 частоты на два, элемент 29 ИЛИ, ждущий мультивибратор 30, ключи 31 и 32, блок 33 управления записью в регистр нуля, потенциометр 34, резистор 35, конденсатор 36, регистр 37 нуля, регистр 38 памяти, дополнительные счетчики 39-41, дополнительные триггеры 42-44. Первый выход первого блока 17 сравнения напряжений соединен с входной щиной, а выход - с входом первого формирователя импульсов, первый вход второго блока 18 сравнения напряжений соединен с движком потенциометра 34, вторые входы первого и второго блоков сравнения подключены к выходу первого ключа 32, входу второго ключа 31 и первой обкладке конденсатора 36, выход первого ключа 31 через резистор 35 подключен к щине источника опорного напряжения и к первому выводу потенциометра 34, второй вывод которого, вторая обкладка конденсатора и выход второго ключа соединены с общей щиной, выход второго блока 18 сравнения, через второй формирователь 21 импульсов подключен к первому входу первого триггера 25, второй вход которого соединен с вторыми входами второго 24 и третьего 23 триггеров, первый выход первого триггера подключен к второму входу первого элемента 9 И и второму входу третьего элемента 10И, второй выход первого триггера 25 подключен к второму входу элемента 27 ИЛИ-НЕ первый выход второго триггера 24 подключен к второму входу второго элемента 8И и первому входу третьего элемента 10И, выход которого соединен с первым входом элемента 27 ИЛИ-НЕ, выход которого подключен к третьим входам первого и второго элементов И и по входу третьего формирователя импульсов, выход которого соединен с входом ждущего мультивибратора, входом «Запись третьего счетчика 3 импульсов, первым входом третьего триггера 23, первый и второй выходы которого соединены соответственно с входами второго 31 и первого 32 ключа, шина импульсов опорной частоты подключена к первым входам первого и второго элементов И, выходы которых соединены соответственно с суммирующим и вычитающим входами первого счетчика 1 импульсов, разрядные выходы которого соединены с соответствующими входами вторъго счетчика 2 импульсов, счетный вход которого соединен с шиной импульсов тактовой частоты, выходы разрядов третьего 3 счетчика соединены с соответствующими входами четвертого счетчика 4, первый выход первого триггера 25 соединен с третьим входом пятого элемента 16И, второй вход которого соединен с выходом ждущего мультивибратора 30, а выход соединен с вторыми входами щестого 12 и восьмого 14 элементов И, выходы которых соединены соответственно с вычитающим входом пятого счетчика и первым входом элемента 29 ИЛИ, а первые входы - к шине импульсов тактовой частоты и счетно.му входу щестого счетчика 6 импульсов, разрядные входы которого соединены с соответствующими масштабирующими щинами, а выход соединен со счетным входом седьмого счетчика 7 импульсов, выходы разрядов которого соединены с соответствующими вторыми входами регистра памяти, выход второго счетчика 2 импульсов соединен с первым входом седьмого элемента, 13И и с входом делителя частоты 28 на два, выход которого подключен к счетному входу четвертого счетчика 4 импульсов, выход которого соединен с первым входом элемента 29 ИЛИ, выход которого подключен к вычитающему входу третьего счетчика 3 импульсов, суммирующий вход которого соединен с выходом седьмого элемента 13 И, выходы переноса «- и « + третьего счетчика 3 импульсов соединены соответственно с первым входом четвертого триггера 26 и первым входом второго триггера 24, второй выход которого подключен к вторым входам седьмого 13 и девятого 15 элементов И, выходы разрядов третьего счетчика 3 импульсов подключены к соответствующим входам пятого счетчика 5 и.мпульсов и регистра 37 нуля, выходы разрядов которого соединены с соответствующими входами третьего счетчика 3 импульсов, выход первого формирователя 20 импульсов соединен со входом «Запись пятого счетчика 5 импульсов и вторь м входом блока 37 управления записью в регистр нуля, первый вход которого соединен с щиной импульсов установки нуля, а выход подключен к входу «Запись регистра нуля, выход переноса «- пятого счетчика 5 импульсов соединен с первым входом регистра памяти и входом четвертого формирователя 22

импульсов, выход которого соединен с вторым входом первого триггера 25, входами «Сброс третьего и четвертого счетчиков импульсов и вторым входом четвертого триггера 26, выход которого соединен с входом «Сброс седьмого счетчика 7 импульсов.

Устройство работает следующим образом.

Начало цикла преобразования определяется моментом появления импульса на выходе формирователя 22. Этим импульсом триггеры 23-26 устанавливаются в исходное состояние и осуществляется сброс счетчиков 3 и 4. Сигнал «1 с второго выхода триггера 24 поступает на вторые входы элементов 13 и 15И, разрещая прохождение частоты fi с выхода счетчика 2 через элемент ЗИ на суммирующий вход счетчика 3 и частоты Гз с выхода счетчика 4 через элементы 15И и 29 ИЛИ на вычитающий вход счетчика 3. В начальный момент времени частота f 3, зависящая от величины кода в счетчике 3, равна нулю. Код N в счетчике 3 начинает нарастать со скоростью, определяемой частотой fi. По мере роста кода N увеличивается частота Ь на выходе счетчика 4, которая, поступая на вычитающий вход счетчика 3, замедляет скорость нарастания кода N. Таким образом, за счет цепи обратной связи включающий делитель 28, счетчик 4, элементы 15И и 29 ИЛИ, код N в счетчике 3 нарастает по экспоненциальному закону.

Сигнал «О с первого выхода триггера 23 размыкает ключ 32, а сигнал «1 с второго выхода этого триггера замыкает ключ 31. Конденсатор 36 начинает заряжаться через резистор 35 током источника опорного напряжения. Причем заряд конденсатора 36, напряжение на котором изменяется по экспоненциальному закону, начинается одновременно с началом формирования цифровой экспоненты.

Во время формирования обеих экспонент частота f, определяющая скорость нарастания цифровой экспоненты, остается неизменной, так как на входы элемента 10И с первых выходов триггера 24 и 25 поступают сигналы «1.

С выхода элемента 10И сигнал «1 подается на вход элемента 27 ИЛИ-НЕ, «О с выхода которого поступает на третьи входы элементов 8, 9И, запрещая прохождение импульсов частотой fo на суммирующий и вычитающий входы счетчика 1, код L в счетчике 1, который определяет величину частоты fi, не изменяется. Изменение частоты {, автоматически осуществляемое схемой преобразователя с целью сложения цифровой экспоненты за аналоговой, производится после окончания одной из экспонент.

При равенстве входного напряжения UBX с напряжением на конденсаторе 36 срабатывает блок 17 сравнения напряжения, сигнал с выхода которой через формирователь 20 производит запись мгновенного значения кода из счетчика 3 в счетчик 5. Код в счетчике 5 хранится до момента окончания обеих экспонент, после чего с ним производятся операции вычитания «нулевого кода и масштабирования. Во время заряда конденсатора 36 напряжения на нем изменяется по закону

(l-1), где t - текущее время;

Та - постоянная времени аналогового генератора заряда конденсатора 36;

Vo - опорное напряжение. В счетчике 3 код изменяется по закону.

(l-Г%

где Tt;- постоянная времени цифрового генератора;

NO - код, к которому стремится цифровая экспонента. Подставляя

.ln(l-U), .

получим (l-).

Отсюда видно, что 1 Тц получается линейная зависимость кода в счетчике 3 от напряжения на конденсаторе 36.

Частота fi на выходе счетчика 2 определяется выражением . f,-io-L.

где L - код в счетчике 1; П2 - число разрядов счетчика 2.

,

где К - коэффициент, показывающий во сколько раз частота h меньще частоты fi. На выходе счетчика 4 импульсы следуют с частотой

, где N - код в счетчике 3;

П4 - число разрядов счетчика 4. В установившемся режиме f JzlbL f,

16- -

Выбрав объем счетчика 2 0,5No, где пз - число разрядов счетчика 3, получим , 2 Если объемы всех счетчиков одинакоБЫ,то

,5.

В схеме преобразователя частоту ,5fi получают при помощи делителя 28 частоты. Получим выражение для постоянной времени цифрового генератора.

В начальный момент времени цикла преобразования код в счетчике 3 ,

поэтому частота fa на выходе счетчика 4 равна нулю. Скорость нарастания кода в счетчике при определяется только частотой fi

cW dr

«о f

.

Отсюда„., „

Т 1 или Tu 2 -.Изменяя величину кода LB счетчике I, можно изменять постоянную времени цифрового генератора.

После включения питания преобразователя изменяют Тцтаким образом, чтобы выполнилось равенство

,

где ta - время от начала формирования аналоговой экспоненты до момента сравнения ее с пороговым напряжением Unop;

tu - время от начала формирования цифровой экспоненты до момента достижения его величины Nnop.

(l-()l. Величина Nnop определяется объемом счетчика 3, равным 0,5 No, т. е. импульс переноса «+ счетчика 3 соответствует моменту достижения цифровой экспонентой величины N.Q., 0,5Nai, получим

0,(l--y) J.

Для получения линейной зависимости кода в счетчике 3 от напряжения на конденсаторе 36 необходимо, чтобы . Тогда ,5Vo.

Величина порогового напряжения Unop устанавливается при помощи потенциометра 34.

Изменение постоянной времени Tu цифрового генератора производят следующим образом. Предположим, что tu оказалось больще ta. В этом случае импульс сравнения а;налоговой экспоненты с величиной. УПОР на выходе элемента 18 сравнения напряжений появляется раньще, чем импульс сравнения цифровой экспоненты с Nj,jj, с выхода переноса «-|- счетчика 3. Импульс с выхода блока 18 сравнения напряжений переводит триггер 25 в единичное состояние по первому выходу. Триггеры 25 и 26 оказываются в противоположных состояниях, на выходах элементов 10 и 11И будут «О. На выходе элемента 27 ИЛИ-НЕ появляется «1. На второй вход элемента 8И подается «1 с первого выхода триггера 25, поэтому последовательность импульсов частоты fo проходит через элемент 8И на суммирующий вход счетчика 3, а через элемент 9И не проходит, так как он закрыт по второму входу.

После окончания цифровой экспоненты импульс с выхода переноса «+ счетчика 3 переводит триггер 24 в единичное состояние по первому выходу, на выходе элемента 27 ИЛИ-НЕ появляется «О,

запрещающий прохождение частоты fo через элементы 8, 9И. Таким образом, частота fo поступает на суммирующий вход счетчика 1 в течение времени tu-ta, код 4 в счетчике 1 увеличивается, поэтому в следующем цикле преобразования цифровая экспонента будет нарастать с меньшей постоянной времени Tu и раньще достигнет величины Nnop, время t уменьшится. Если tu было значительно больше ta, 0 что возможно сразу после включения источника питания, то необходимы несколько циклов преобразования для уменьшения Tu, чтобы выполнялось равенство.

.

В случае, когда t4 окажется меньше

to( на время t,-tu, будет открыт элемент 9И. Импульсы с частотой f будут поступать на вычитающий вход счетчика 1, уменьшая код в нем и, следовательно, увеличивая постоянную времени Tu.

0 В момент окончания второй экспоненты (цифровой или аналоговой) на выходе элемента 27 ИЛИ-НЕ формируется отрицательный перепад напряжения, по которому формирователем 19 формируется импульс, производящий запись кода Nn на регистре

5 37 нуля в счетчик 3 и переводящий триггер 23 в единичное состояние по первому выходу. «1 с первого выхода триггера 23 замыкает ключ 32, а «О с второго выхода этого триггера размыкает ключ 31, начинается разряд конденсатора 36. Время

заряда конденсатора 36 определяется длительностью импульса ждущего мультивибратора 30, который также запускается импульсом с выхода формирователя 19, и временем счета в режиме вычитания счетчика 5.

На второй и третий входы элемента 16И после окончания импульса ждущего мультивибратора 30 на первом выходе элемента 16И также появляется «1 и разрещается прохождение импульсов частоты fo на вычитающие входы счетчиков 3 и 5. Так как в счетчике 3 записан код N4 из регистра 37 нуля, соответствующий исходному значению входного сигнала, а в счетчике 5 - код, соответствующий текущему значению UBX, то импульс с выхода переноса «-

5 счетчика 3 появится раньще, чем с выхода переноса счетчика 5.

Импульсом переноса счетчика 3 триггер 26 переводится в нулевое состояние по второму выходу, снимается сигнал «Сброс с входа счетчика 7, и в течение времени

t --г-- в этом счетчике производится набор кода с частотой

,{.Л 4

5 где М - код, подаваемый на разрядные входы счетчика 6 с масштабного переключателя; Пб - число разрядов счетчика 6.

АНАЛОГО-ЦИФРОВОЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ по авт. св. № 984041, отличающийся тем, что, с целью расширения функциональных возможностей, введены три дополнительных счетчика и три дополнительных триггера, выходы которых соединены с третьими входами регистра памяти, первые входы - с выходом четвертого триггера и с первыми входами дополнительных счетчиков, а вторые входы - с выходами дополнительных счетчиков соответственно, вторые входы которых соединены с выходом шестого счетчика, а третьи входы с соответствующими шинами задания порога.