Аналого-цифровой преобразователь Советский патент 1986 года по МПК H03M1/60 

Изобретение относится к импульсной технике, в частности к преобразователям напряжен.ия в цифровой код с промежуточным преобразованием в частоту импульсов.

Целью изобретения является повьше- ние точности преобразования.

На фиг.1 представлена блок-схема аналого-цифрового преобразователя; на фиг.2 - блок-схема генератора им- пульсов и временная диаграмма его работы; на фиг.З представлена временная диаграмма работы аналого-цифрового преобразователя (АЦП).

АЦП содержит входную шину 1, шину . 2 нулевого напряжения, шину .3 эталонного напряжения, шину 4 напряжения синхронизации, шину 5 Пуск, выходную шину 6, шину 7 Готовность результата, первый 8 и второй 9 ключи, пер вьй 10 и второй 11 переключатели, вы- читатель 12, преобразователь 13 напряжения в частоту (ПНЧ), источник 14 напряжения смещения, реверсивный счетчик 15, состоящий из целой, и дробной частей, которые содержат (п + 1) и п разрядов и имеют, соответственно, веса младших разрядов 2° и 2 и старших разрядов 2 и 2 , первый 16 и второй 17 двоичные счетчики, содержа- щие по m разрядов, генератор 18 импульсов, первый 19 и второй 20 одно- вибраторы, первый 21, второй 22 и третий 23 триггеры, формирователь 24 импульсов синхронизации, элементы И 25-34, элементы ИЛИ 35-41.

Генератор 18 импульсов содержит мультивибратор 42, второй 43 и пер- вьй 44 формирователи импульсов, триггер 45, элемент И 46, второй 47, пер- вый 48 элементы ИЛИ. . - .

На временных диаграммах-фиг.2 и 3 обозначены: 49 - сигнал окончания первого такта преобразования на выходе элемента И 31; 50 - импульс форми- рователя 43; 51 - импульсы мультивибратора 42; 52 - сигнал поддержания работы генератора 18; 53 - сигнал повторного запуска генератора 18; 54 - сигнал с единичного выхода триггера 45; 55 - импульс формиррвателя 44; 56 - импульсы запуска мультивибратора 42; 57 - сигнал работы генератора 18; 58 - сигнал пуска АЦП в работу; 59 - импульс одновибратора 19; 60 - импуль сы синхронизации с частотой питающей сети; 61 - сигнал с единичного выхода триггера 23; 62 - сигнал с единичного

выхода триггера 22; 63 - сигнал с единичного выхода триггера 21; 64 - импульс одновибратора 20; 65 и 66 - сигналы первой и второй половины второго такта преобразования; 67 - сигнал второго такта преобразования; 68 - сигнал недостоверности кода результата преобразования и времени вьшолнения преобразования; 69 и 70 - времена выполнения первого и второго тактов преобразования.

В предложенном АЦП преобразование вьтолняется в два такта (Т и Tg). За Т определяется величина погрешности Хд от изменения S и Т при преобразовании Ug, где S - крутизна преобразования, Т - период повторения импульсов синхронизации. В течение Т 2 выполняется преобразование U,( и одновременно, используя величину Xg, корректируются погрешности в результате преобразования. Для исключения погрешностей от напряжений смещения в каждом такте в течение одной половины его длительности импульсы с ПНЧ. суммируются счетчиком, а в другой половине - вычитаются. Длительность преобразования U равна периоду сигнала помехи, что обеспечивает подавление U|,. В процессе преобразования и при появлении каждого им- пульоа с выхода ЦНЧ выполняется коррекция , состоящая в изменении результата на величину Xg- 2 . Это позволяет уменьшить погрешности от изменения S и Т до второй степени малости. Но этого для высокоточных АЦП может оказаться недостаточно и в преобразователе выполняется.дополнительная коррекция результата, которая позволяет практически устранить влияние изменения S и Т.

АЦП работает следующим образом.

По входному сигналу 58 (фиг.З) Пуск устанавливаются в О все счетчики 15-17 и триггеры 21-23 и запускается одновибратор 19, выходной сигнал 59 (фиг.З) которого разрешает работу элемента И 29. Через этот элемент И 29 проходят импульсы 60 формирователя 24 и первый из них устанавливает в 1 триггер 23, выходной сигнал 61 которого открывает элемент И 25 и 30 для прохождения имульсов с выхода ПНЧ 13 через элемент ИЛИ 40 на вход младшего разряда целой части реверсивного счетчика 15 и импульсов 60 (фиг.З) на счетный вход триггера

3

22. Период повторения Т импульсов 60 выбирается равным одному или нескольким полупериодам сети питания Т , из

tt напряжения которого они формируются

формирователем 24.

С момента появления сигнала 61 начинается первый такт Т, преобразования, в первой половине которого до установки в 1 триггера 22 (сигнал 62) в реверсивном счетчике 15 включе режим вычитания, а на входы вычитате ля 12 подано нулевое напряжение с шины 2 через переключатели 10 и 11. Поэтому на входах ПНЧ 13 будет напряжение смещения вычитателя U.., и наС о

пряжение смещения U источника 14, величина которого выбирается из условия обеспечения преобразования отрицательной амплитуды Ur, помехи при U 0. т.е. U(,U. Наличие напряжений смещения U в ПНЧ 13, а-также.U

се Uj приводит к тому, что постоянно в

АЦП к преобразуемому сигналу добавляется напряжение U,, U.,. + U + .

О D Си

в результате преобразования U в течение Т на вход младшего разряда целой части счетчика 15 поступает и„ импульсов и в нем получается числоХ„

(1)

N,, и,- ST,

, .,,

С появлением сигнала 62 начинается вторая половина Tj. В этот момент сигнал с нулевого выхода триггера 22 устанавливает по счетному входу в 1 триггер 21, который своим первым выходным сигналом 63 (фиг.З) в реверсивном счетчике 15 включает режим суммирования, а сигнал с единичного выхода триггера 22 через элемент ИЛИ 36 с помощью второго переключателя 11 и второго ключа 9 подключит к суммирующему входу вычитателя 12 эталон- .ное напряжение Ug.

В схеме АЦП крутизна преобразова-. ния S устанавливается такой, чтобы при ее максимальном значении S,, и наибольшем значении времени Т„ при преобразовании Ug получилось число 2, т.е. квант АЦП равен д U - 2 , и максимальное -значение преобразуемого входного сигнала равно:

и л-ХмЧ2 - 1)д (2-1) U,-2 U.-u

лМ У

Изменение S и Т приводит к уменьшению результата П ST 2 -Х5- из-за уменьшения величины ST. Величина Xg зависит от изменения параметров S и Т и не превышает 2 , где m - число разрядов в счетчиках 16 и

17 и m п. Если Хс- выразить через .VI

носительную величину о 2 , то Пд 2 (1 -) и и 81-2- 1 -ё , т.е. uST 1 - .

Таким образом, преобразование одного кванта входного сигнала а не дает единицу младшегЪ разряда целой части АЦП и требуется выполнить коррекцию результата преобразования на

5 для каждого кванта Д .

Во второй половине Т,, оканчивающейся по приходу следующего импульса 60, в течение Т ПНЧ 13 преобразует напря ;ение (Ug + U) и на вход младшего разряда целой части реверсивного счетчика 15 поступает N импульсов

N, (и,+ и) ST.

(2)

(2 9 С

В реверсивном счетчике 15 получе- но число Х,2 Х„ + N,, , которое с учетом выражения (1) и того, что в нем будет переполнение при поступлении на вход числа импульсов, равного N, , имеет величину

Х Xg 2(1-), (3)

Из вьфажения (3) получают ST (1 -).

(4)

в момент окончания Т, по очередному импульсу 60 через элемент И 30 триггер 22 устанавливается в О, наливается второй такт преобразования Т . Вначале 1 величина Xg запоминается в первом счетчике 16 для е.е использо- ,вания при дальнейшей коррекции результата преобразования. Это осущестт вляется следующим образом. При переходе триггера 22 в О состояние.

когда выходной сигнал 49 элемента

И 31 проходит через ЮШ 39 на первый вход генератора 18 и запускает в нем формирователь 43, его выходной импульс 50, проходя через элемент ИЛИ 48 (импульсы 56), пускает в работу мультивибратор 42 (импульсы 51) и через второй выход генератора 18 устанавливает в 1 старший разряд счетчика 17. С единичного выхода этoго разряда сигнал 52 поступает через третий вход генератора 18 на мультивибратор 42. В течение времени, пока вО второй счетчик 17 не поступит

импульсов 51 с первого выхода ге llTI-l

нератора 18, мультивибратор 42 формирует импульсы.

Выходной сигнал 49 элемента И 31 запускает одновибратор 20, который

единичным выходным сигналом 64 разрешает прохождение импульсов 51 как на вход счетчика 16 через элементы И 27 и ИЛИ 35, так и на счетный вход млад- шего разряда целой части реверсивного счетчика 15 через элементы И 27 и l-fflH 40, в последнем из которых они суммирутотся с X , так как сигналом 63 в. нем включен режим суммирования. Элемент И 27 управляется также сигналом с нулевого выхода старшего разряда целой части реверсивного счетчика 15, поэтому при поступлении на его вход Xg импульсов 51 этот разряд ус- тановится в 1 и подсчет импульсов закончится. При этом в реверсивном счетчике 15 находится число 2, а в счетчике 16 - Xj.

В течение Т с появлением каждого из импульсов с выхода ПНЧ 13 в АЦП выполняется коррекция результата преобразования на величину &. Для этого импульсы с ПНЧ 13, проходя через элементы И 25 и 32, запускают генератор 18, на выходе которого как и вначале этого такта будет сформировано импульсов 51, поступающих через элементы И 26 и ИЛИ 35 в пер- вьш счетчик 16. Так как в нем запи- сано число Хл, то через ( к) импульсов его старший разряд установится в 1 и разрешит прохождение импульсов 51 с выхода элемента И 26 через элемент И 34 на счетный вход младшего разряда дробной части реверсивного счетчика 15. К окончанию 2 импульсов 51 в счётчике 16 восстановится число Хп, а в реверсивном счетчике 15 записанное в нем число будет увеличено на S. . Выполнение этой коррекции позволяет существенно уменьшить влияние & на результат преобразования. Результат преобразования равен

К1 N + N5 (1 - 8Ъ.

Погрешность от S представляет собой величину второй степени малости. Но для прецизионных АЦП эта погрет- ность может оказаться недопустимой, поэтому в схеме выполняется дополнительная коррекция. Для этого при переполнении дробной части реверсивного

счетчика 15, т.е. при накоплении от 8,результат увеличивается на 8 и за Т в реверсивном счетчике 15 добавится величина N N, S .

В результате выполнения двухкратной коррекции получают

XK-I N + N,, + N UST(1 +8 +8)

или, использовав величину ST из выражения (4), получают:

-.г

и-л Ч -8) (1 + н-б)

и.л-Ч1 -ВЪ.

(5)

Отсюда видно, что в результате преобразования Хц, погрешности от S сведены к третьей степени малости.

Дополнительная коррекция в схеме АЦП выполняется по переключению в О сигнала 53 на единичном выходе старшего разряда дробной части реверсивного счетчика 15. Так как этот сигнал возникает во время выполнения первой коррекции, то для его запоминания в генераторе 18 имеется триггер 45 (с выходным сигналом 54) и специальный второй вход для повторного запуска сигналом 53. По окончании первой коррекции сигнал 52 запускает формирователь 44, который выходным сигналом 55 устанавливает в О триггер 45 и через элементы И 46 и ИЛИ 48 включает в работу мультивиб-. ратор 42. Процесс коррекции результата преобразования на S повторяется.

Из условия необходимости выполнения двойной коррекции, т.е. формирования 2 импульсов 51 за время между двумя импульсами, с выхода ПНЧ 13 при максимал-ьном входном сигнале и, выбирается частота f„, мультивибратора

,п

т

42: f 2 -UxM-S.

В течение первой половины Tg элемент И 28 сигналом 65 включает первый ключ 8 и через элемент ИЛИ 36, второй переключатель 11, которые подключают входной сигнал с наложенной помехой ( и„) к суммирующему входу вычитателя 12, имеющему нулевое напряжение на вычитающем входе, и ПНЧ 13 начинает преобразовывать сигнал (Ид+ ИР+ Ир) в число импульсов N, , которые через элементы И 25 и ИЛИ 40 поступают на счетньй вход младшего разряда целой части реверсивного счетчика 15 и через элементы И 32 и ИЛИ 39 на б брвый вход запуска генератора 18. Число Nj, и сформированные в результате двойной коррекции числа суммируются в реверсивном счетчике 15 с числом 2 , записанным вначале Т. Полу- -лаемый к концу первой половины Т результат с .учетом выражения (5) равен

х„ 2 + (и,+ и,- и).д- -(1 -8 )

(6)

С приходом очередного импульса 60 заканчивается первая половина Т и начинается вторая с переключения в 1 триггера 22 (сигнал 62) и в О триггера 21 (сигнал 63). В течение второй половины Т в реверсивном счетчике 15 в слючен режим Вычитание сигналом с нулевого выхода триггера 21, на суммирующий вход вычитателя 12 подано напряжение Ug, подключаемое с. помощью первого ключа 9 и второго переключателя 11 сигналом с единичного выхода триггера 22, и на его вычитающий вход - напряжение U, подключаемое с помощью первого переклю- чателя 10 сигналом 66-с выхода эле- I мента И 33. ПНЧ 13 преобразует напряжение (Ug- ( и) + Uj.) в число импульсов . .

. Число . и числа, сформированные в результате двойной коррекции, вычитаются в счетчике из Х, , образуя в нём число:

.Х2г .Х,,-(и,,- и,- и„+ и,)А (1-8Ъ Подставляя Х, из выражения (6) и , что сигнал Uy+ U интегрировался при преобразовании в течение Т, равного одному или нескольким Т. ., т.е. составляющая от Ufj равна нулю, получают

Х., (2 и,- из)д- (1 -S )

2 и/- (2 и,) Л 8

2 X - 2(Х - )S 2 (X - Xj

(7)

Таким образом, в разрядах целой части реверсивного счетчика 15, кроме младшего, подсоединенных к выходным шинам 6 АЦП, получен код результата преобразования X , т.е. число- вой эквивалент, входного напряжения. При этом и соответствует X с погрешностью Хд (X - )S, которая имеет третью степень малости и не оказывает практическое влияние на X.

Окончание Tj происходит по очередному сигналу 60, устанавливающему в . О триггер 22, снятие сигнала 62 с единичного выхода которого через элементы И 33, ИЛИ 38 и 37 устанав- лив ает в О триггер 23 по сигналу 67. Поступление импульсов с выхода ПНЧ 13 на реверсивный счетчик 15 заканчивается, так как элемент И 25 закрывается сигналом 61. Но в АЦП .может еще выполняться коррекция результата преобразования сигнала 57 в течение работы генератора 18 на его третьем выходе; сформированного элементом ИЛИ 47 из сигналов 50, 52 и 55.

Поэтому готовность результата пре образования - сигнал 68 формируется элементом ИЛИ 41 по сигналу 59 одно- вибратора 19, сигналу 61 триггера 23 длител ьность которого равна времени выполнения первого такта 69 и второго такта 70, и. сигналу 57, равному времени выполнения коррекции, если она не закончилась в течение Т. Сигнал 68 дает информацию о недостоверном коде на выходе 6, когд выполняется в АЦП процесс преобразования, и об окончании преобразования

Формула изобретения

1. Аналого-цифровой преобразователь, содержащий преобразователь напряжения в частоту импульсов, выход которого соединен с первь1м входом первого элемента И, вычитатель, реверсивный счетчик, входы суммирования и вычитания которого соединены, соответственно, с единичным и нулевым выходами первого триггера, нулевой вход которого объединен с входами установки в нулевое состояние реверсивного

счетчика, первого и второго счетчи- ков, счетный вход первого из которых соединен с выходом первого элемента ИЛИ, первый и второй входы которого соединены соответственно .с выходами второго и третьего элементов И, первые входы которых объединены со счетным входом второго счетчика и соединены с первым выходом генератора импульсов, первый вход первого, переключателя объединен с первым входом первого ключа и является выходной шиной, второй вход первого ключа соединен с выходом четвертого элемента И, пер- вьй вход которого соединен с нулевым выходом второго триггера, вход первого одновибратора является шиной Пуск, отличающийся тем, что, с целью повьпиения точности, в него введены второй ключ, второй, третий, четвертый, пятый, шестой и седьмой элементы ИЛИ, источник напряжениясмещения, третий триггер, пятый, шестой, седьмой, восьмой, девя- тьш и десятый элементы И, второй од- новибратор, формирователь импульсов синхронизации, второй переключатель, первый вход которого соединен с выходами первого и второго ключей, второй вход объединен с вторым входом первого переключателя и является ши- ной нулевого напряжения, а выход соединен с суммирующим входом вычитате- ля, вычитающий вход которого соединен -с выходом первого переключателя, а выход соединен с первым входом-преобразователя напряжения в частоту, второй вход которого соединен с выходом источника напряжения смещения, первый вход второго элемента ИЛИ объединен с первым входом четвертого элемента ИЛИ и соединен с выходом четвертого элемента И, второй вход второго элемента ИЛИ объединен с пер- BbiM входом второго ключа, первым входом седьмого элемента И, первым вхо- дом. девятого элемента И и соединен с единичным выходом второго триггера, а выход второго элемента ИЛИ соеди-;: нен с третьим входом второго переключателя , причем второй вход второго ключа является шиной эталонного напряжения, а первый вход пятого элемента И объединен с первым входом седьмого элемента ИЛИ и соединен с выходом первого-одновибратора, второй вход пятого элемента И объединен с первым входом шестого элемента И и соединен с выходом формирователя импульсов синхронизации, вход которого является шиной напряжения синхрони- зации, второй вход шестого элемента И объединен с вторым входом седьмого элемента ИЛИ, вторым входом первого элемента И и соединен с единичным

выходом третьего триггера, а выход шестого элемента И соединен с единичным входом второго триггера, единичный вход третьего триггера соединен с выходом пятого элемента И, нулевой вход - с выходом третьего элемента ИЛИ, первый вход которого объединен с первым входом восьмого элемента И и соединен с выходом четвертого элемента ИЛИ, второй вход которого объединен с третьим входом первого переключателя и соединен с выходом девятого элемента И, второй вход которого соединен с нулевым выходом первого триггера, единичньш вход которого соединен с нулевым выходом второго триггера, нулевой вход которого объедине в нулевым входом первого триггера, вторым входом третьего элемента ИЛИ и является шиной пуска, второй вход седьмого элемента И объединен с вторым входом четвертого элемента И и соединен с единичным выходом первого триггера, второй вход восьмого элемента И объединен с первым входом шестого элемента ИЛИ и соединен с выходом, первого элемента И, третий вход которого объединен с вторым входом второго элемента И и соединен с нулевым выходом второго одновибратора, .единичный выход которого соединен с вторым входом третьех о элемента И, а вход объединен с первым входом пятого элемента ИЛИ и соединен с выходом седьмого элемента И, второй вход пятого элемента ИЛИ соединен с выходом восьмого элемента И, ,а выход - с первым входом генератора импульсов, второй вход которого соединен с единичным выходом старшего разряда дробной части реверсивного счетчика, третий вход - с единичным выходом старшего разряда второго Ьчетчика, единичньй вход старшего разряда второго счетчика и нулевой вход старшего разряда первого счетчика объединены и соединены с вторым выходом генератора импульсов, третий вьЕсод которого соединен с третьим входом седьмого элемента ИЛИ, выход которого является шиной Готовность результата, первый вход десятого элемента И объединен с певым входом первого элемента ИЛИ, второй вход - с выходом старшего разряда первого

счетчика, а выход соединен с входом младшего разряда дробной части реверсивного счетчика, вход младшего разряда целой части реверсивного счетчика соединен с выходом шестого элемента ИЛИ, вт,9РОй вход которого объединен с вторым входом первого элемента ИЛИ, единичные выходы всех, кроме младшего, разрядов целой части реверсивного счетчика является выходной шиной, а нулевой выход старшего разряда целой части реверсивного счетчика соединен с третьим входом третьго элемента И.

2. Преобразователь по п.1, о т - личающийся тем, что генератор импульсов вьшолнен на двух формирователях импульсов, триггере, двух элементах ШИЛ, элементе И и мультивибраторе, выход которого является первь1м выходом генератора импульсов, вторым выходом которого является выход первого элемента ИЛИ, соединенный с первым входом мультивибратора, второй вход которого объединен с первыми входами первого формирователя импульсов и второго элемента ИЛИ и является третьим входом генератора импульсов, вторым входом которого является единичный вход триггера, нулевой вход которого объединен с первым

входом элемента.и, вторым входом второго элемента ИЛИ и соединен с выходом первого формирователя импульсов, третий вход второго элемента ИЛИ

объединен с первым входом первого элемента ИЛИ и соединен с выходом второго формирователя импульсов, вход которого является первым входом генератора импульсов, третьим выходом которого является выход второго элемента ИЛИ, единичный выход триггера соединен с вторым входом элемента И, выход которого соединен с вторым входом

первого элемента ИЛИ.

Фиг. г

Составитель И.Романова Редактор А.Шандор Техред И.Попович Корректор Г.Решетник

.-- -.- ,.--------«- -

Заказ 3025 Тираж 816 Подписное ВНИИПИ Государственного комитета СССР

по делам изобретений и открытий 113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Производственно

-полиграфическое предприятие, г.Ужгород, ул.Проектная, .4

Фиг.З

Изобретение относится к импульсной технике, в.частности к; преобразователям напряжения в цифровой код с промежуточным преобразованием в частоту импульсов. Изобретение позволяет повысить точность преобразования за счет исключения влияния смещения преобразователя напряжения в частоту (ПНЧ) 13, вычитателя 12 и влияния помех от сети питания. В предложенном : - . . ../ аналого-цифровом преобразователе пре образование вьшолняется в два такта. На первом такте определяют величину погрешност.и Xg: от изменения крутизны преобразования и периода повторения импульсов синхронизации, на втором такте выполняют преобразование входного сигнала и одновременно используют величину Х«. На первом такте на входы вычитателя 12 подают нулевое напряжение с шины 2 через переключатели 10 и 11, поэтому на входах ПНЧ 13 оказывается напряжение смещения вычитате тя 12 и источника 14, который обладает, собственным смещением; сумма всех смещений преобразуется с помощью реверсивного счетчика 15 в код N,, . На втором такте осуществляются преобразование входного сигнала и одновременно коррекция результата преобразования с появлением каждого из импульсов с выхода ПНЧ 13. 1 з.п. ф-лы, 3 ил. i (Л ND ND со QO сл эо