Аналого-цифровой преобразователь Советский патент 1985 года по МПК H03M1/56 

Изобретение относится к импульсной технике и электроизмерениям и может быть использовано в системах автоматического контроля и управления , а также в измерительной технике для преобразования изменяющихся во времени зашумленных непрерывных сигналов в цифровой код. Цель изобретения - уменьшение погрешности преобразования за счет уменьшения погрешностей, вносимых компараторами. На фиг.1 изображена структурная схема аналого-цифрового преобразователя (А1Щ), на фиг. 2 эпюры напряжений ( б( - на входах компараторов при преобразовании с учетом общего времени задержки срабатывания компараторов j 5 - на выходах компараторов В - на выходе элемента И, т, - на выходе трехвходового элемента И); на фиг.З - эпюры напряжений, показывающие процесс формирования парафазног треугольного напряжения ( Э - запускающего импульса-, е - пилообразного нагфяжения; ж и j парафазные треугол ные напряжения на выходе генератора) АЦП содержитдва компаратора 1 и 2, вход компаратора 1 соединен с пре образуемым напряжением Uy, элемент 3 ИСКЛЮЧАМЦЕЕ ИЛИ, входы которо го соединены с выходами компараторов 1 и 2, генератор 4 импульсов, элемент И 5, входы которого соединены с выходом элемента 3 ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ и выходом генератора 4 импульсов, счет чик 6 импульсов, генератор 7 парафаз ного пилообразного напряжения, форми рующий треугольное пилообразное напряжения , выходы которого соединены с входами компараторов 1 и 2, инвертор 8, вход которого соединен с преобразуемым напряжением, а выход - с вторым входом компаратора 2, трехвходовой элемент 9 И, входы которого соединены с выходами компараторов 1 и 2 и генератором 4 импульсов, делитель 10, вход которого соединен с выходом элемента 5 И, элемент 11 ИЛИ, один вход которого соединен с выходом делителя 10 частоты, второй - с выходо трехвходбвого элемента 9 И а выход с вторым входом счетчика 6. Генерато 7 может состоять из генератора 12 пи лообразного напряжения, на вход которого подается запускающий импульс, узла 13 выделения абсолютной величины сигнала, вход которого соединен 1 9 с выходом генератора 12 пилообразного напряжения, инвертора 14, вход которого соединен с выходом узла 13 выделения абсолютной величины сигнала, а выходы инвертора 14 и узла 13 выделения абсолютной величины сигнала являются парафазными выходами генератора 7. Устройство работает следую1дим образом. На вход компаратора 1 поступает преобразуемое напряжение U,. , на вход компаратора 2 начинает поступать инвертированное инвертором 8 преобразуемое напряжение - и у. По импульсу (фиг.ЗЭ), проходящему по проводу, обозначенному- на фиг.1 Пуск, происходит одновременный сброс счетчика 6 и запуск генератора 7. На вторые входы компараторов 1 и 2 начинают поступать противофазные треугольные напряжения (фиг. 3 ж ,.(S) . В моменты равенства преобразуемого и инвертированного преобразуемого напряжения треугольному напряжению на выходе компараторов 1 и 2 уровень изменяется на противоположный (фиг.2 Б). Если бы преобразуемый сигнал U был не зашумлен, а компараторы 1 и 2 не имели погрешностей, то изменение состояния компараторов 1 и 2 происходило бы в моменты времени Ц (фиг.2с(). Однако компараторы 1 и 2 имеют гистерезис и погрешность срабатывания, поэтому изменение их состояния происходит-в моменты времени tjtj и . Импульсы с выхода компараторов 1 и 2 (фиг.2 ) поступают на трехвходовой элемент 9 И и суммируются с импульсами генератора 4. На выходе трехвходового элемента 9 И формируется импульс длительностью tjtg (фиг.2г), заполненный импульсами генератора 4, который отличается от импульса длительностью на величину t , (величина гисПоскольку t. терезиса компараторов в восходящей ветви), то длительность импульса tjtg короче длительности на . На выходе элемента 3 ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ последовательно формируются импульсы длительностью и (фтг.2б), которые, проходя через элемент 5 И, заполняются импульсами генератора 4 и делятся на два делителем 10. Поскольку интервалы времени не перекрываются интервалом , то на.вход счетчика 6 через, элемент 11 ИЛИ последова тельно поступают импульсы, йоличест во которых равно усредненному значе tit5+t rt Количество импульсов, занесенное в счетчик 6, остается в нем до нача ла следующего цикла измерения. Запу кающий импульс Пуск может приходи от кнопки (тумблера) при ручном управлении или от блока управления ЭВМ в сложных электронных устройствах. По каждому запускающему импульсу (ФИР.З) генератором 12 формируется пилообразное напряжение (фиг.Зе), из которого выделяется абсолютная его величина узлом 13 (фиг.Зж). Абсолютная величина пилообразного напряжения поступает на компаратор 1, а его инвертированное значение (фиг.) с инвертора 14 поступа.ет на компаратор 2. Таким образом формируется противофазное треугольное напряжение. Амплитуды треугольного напряжения должна согласовываться с диапазоном изменения входного измеряемого напряжения Ujj, а длительность не должна превышать времени преобразования АЦП и определяется частотой изменения входного преобразуемого сигнала Uj,,. Если произошло смещение нуля компараторов 1 и 2 в результате изменения температуры, то можно считать, что эти изменения в двух одинаковых компараторах одинаковы. Но если в одном компараторе смещение нуля вызывает увеличение длительности импульса на его выходе, то в другом компараторе на выходе будет уменьшение импульса точно на такую ж величину. Т.е. среднее значение инте валов времени, в течение которых им пульсы генератора 4 проходят на вход счетчика 6, остается неизменным Происходит компенсация дрейфа нуля компараторов 1 и 2. Компенсация гис19-4 терезиса компараторов происходит следующим образом. Обозначим через К интервал времени , т.е. интервал, ограниченный временем срабатывания идеальных компараторов 1 и 2 при незашумленном сигнале U. Тогда средний интервал времени между срабатываниями 2 равен -,. компараторов 1 и С учетом гистерезиса временной интервал между срабатьшаниями компаратора .1 равен K-t t -t , компаратора 2 равен K-t t j+t tj+trt-. Поскольку одинаковый гистерезис в компараторах 1 и 2 на одинаковых направлениях дает равные временные интервалы задержки срабатывания при переходе из О в 1 и из 1 в О, то ,, и t t i-t2 . Обозначим через At3 . Таким образом, имеем временной интервал между срабатываниями для компаратора 1: K-Atj it +&t K-ut , для компаратора 2: К&t K.+&t,. Найдем среднее арифметическое значение . 2 2К у К, т.е. среднее арифметическое двух .интервалов времени между срабатываниями компараторов с учетом их погрешностей срабатывания равно интервалу времени между срабатывания компараторов без погрешностей. Можно было бы выделить интервалы между срабатываниями каж,цого компаратора, просуммировать и разделить, но тогда необоснованно возросла бы схема. По- скольку интервал времени t.tj. является общим для обоих компараторов, то н импульсы заполнения его с одного генератора 4 одинаковы. Поэтомуинтервал tjtg- выделяется элементом 9 И и заполняется импульсами генератора 4. Разность между срабатьшаниями компараторов 1 и 2 выделяется элементом 3 ИС1ШОЧАКЩЕЕ ШШ.. Поскольку эти отрезки времени не накладываются друг на друга, то их можно просуммировать, разделив на два.

+uJ

и. I

t

АЯАЛОГО-ЦИФРОВОЙ ПРЕОБРАЗО ВАТЕЛЬ, содержащий два компаратора первый вход одного из которых соеди нен с шиной преобразуемого напряжения, вторые входы - с соответствующими выходами генератора парафазно пилообразного напряжения, а выходы с соответствующими входами элемента ИСКЛЮЧАЩЕЕ ИЛИ, выход которого подключен к первому входу элемента И, второй вход которого соединен Пуск Фиг. с выходом генератора импульсов, счетчик импульсов, отличающий- с я тем, что, с целью уменьшения погрешности преобразования, в него введены инвертор, трехвходовый элемент И, делитель частоты и элемент ШШ, первый вход которого через делитель частоты соединен с выходом элемента И, выход подключен к входу счетчика, управляющий вход которого соединен с шиной Пуск, а второй вход элемента .ИЛИ соединен с выходом трехвходового элемента И, первый вход которого соединен с выходом генератора импульсов, а второй и третий входы - соответственно с выходами первого и второго компараторов, первьй вход последнего из которых через инвертор подключен к шине преобразуемого напряжения, при этом управляющий вход генератора парафазного пилообразного напряжения подключен к шине Пуск.