Аналого-цифровой интегрирующий преобразователь с автоматическим выбором диапазона преобразования Советский патент 1986 года по МПК H03M1/18 

i

Изобретение относится ной технике и может быть но в адаптивных измеритествах с цифровым выходом в цифровых вольтметрах с ческим выбором пределов

На фиг. 1 приведена фная схема устройства; на временные диаграммы рабоства.

Устройство содержит п+1 ключей 1, токоограничивающий элемент, выполненный на резисторе 2, операционный усилитель 3, блок 4 опорных напряжений, накопительный элемент, выполненный на конденсаторе 5, ключ 6 обратной связи, блоки 7 и 8 сравнения, источник 9 порогового напряжения, первый 10 и второй 11 RS-триггеры, первый 12 и второй 13 счетчики, элемент И 14, генератор 1 5 тактовых импульсов, дополнительные п-1 накопительны элементы, выполненные на конденсаторах 1 fS, дополнительные п-1 ключи 1 7 обратной связи, второй 18 и первый 19 дешифраторы.

Устройство работает следующим образом.

В исходном состоянии первый 11 и второй 12 В.5-триггеры находятся в нулевом состоянии, ключи 6 и 17 замкнуты, чему соответствуют высокие урРЬвни напряжений на управляющих входах этих ключей (фиг, 2), ключи 1 разомкнуты. Напряжение на выходе операционного усилителя 3 и конденсаторах 5,16 равно 0. На выходах первого 12 и второго 13 счетчиков имеются сигналы, соответствующие коду выбранного диапазона и коду преобразуемого напряжения, полученные в результате последнего перед этим преобразовании.

В момент времени t,, (фиг. 2) на вход Пуск приходит импульс запуска АЦП, который сбрасывает в О счетчики 12 и 13. По окончании импульса в момент времени t йервый RS-триггер 10 устанавливается в 1 состояние, при этом сигналом с инверсного выхода закрывается ключ 6, а сигналом с выхода элемента И 14 открывается первый ключ 1, и преобразуемое напряжение Uj подается на вход операционного усилителя 3. На входе разрешения счета второго счетчика 13 появляется сигнал, позволяющий этому счетчику подсчиты

5

0

вать число импульсов, приходящих на счетнь Й вход с выхода генератора 15. При этом емкость счетчика 13 выбрана, таким образом, что его полное заполнение импульсами генера- тора 15 до переполнения производится за время Т , равное базовому времени интегрирования преобразуемого сигнала Uj , На второй вход второго дешифратора 18 приходит сигнал Лог. 1, а на первые входы поступает с выхода первого счетчика 12 код нуля. В соответствии с таблицей истинности на всех выходах дешифратора 18 появляется сигнал Лог. О и все дополнительные ключи 17 размыкаются. Таким образом, в момент времени t, в обратную связь операционного усилителя 3 включен только один конденсатор 5 и напряжение на выходе операционного усилителя 3 начнет изменяться по закону 1 U(t)

Rc7 J

и, dt.

(I)

где R - сопротивление резистора 2;

С - емкость конденсатора 5.

В течение времени (t,-t) производится интегрирование с наименьшей постоянной времени. В момент времени t (фиг. 2) напряжение Uj(t) достигнет величины напряжения источника 9, При этом на выходе блока 8 появится сигнал 1 и содержимое первого счетчика 12 .увеличит-; ся на единицу. Изменение кода на выходе счетчика 12 вызовет появление сигнала 1 на первом выходе дешифратора 18 и замыкание первого дополнительно ключа 17. При этом параллельно конденсатору 5 подключится первый дополнительный конденсатор 16 (емкостью С,, ). Напряжение на выходе операционного усилителя 3 из-за перераспределения зарядов на емкостях уменьшится скачком до величины

u,(t,,,(v )

Со y(t)

с +с.

ы

(2)

где

Со

с„+с,

II к

- коэффициент переключения диапазонов;

индекс - при t, означает, что .этот момент времени t до срабатывания первого дополнительного ключа 17;

индекс + соответствует моменту времени после срабатывания ключа 17.

Так как напряжение Uj (t ) i , блок 8 приходит в исходное состояние.

3

Если подставить (1) в (2), то получим|.

(Ч --R(C:TcT) l4,dt. (3)

г.е. напряжение на выходе операционного усилителя в момент времени t имеет значение, соответствующее интегрированию напряжения U с постоянной R-(, ) с момента времени ty . Напряжение на выходе интегратора начнет изменяться по закону 1 г

з (t) - RccJTc, J м Р«

t., t t . i . (4)

Таким образом, преобразователь переходит на второй диапазон преобразования.

В момент «времени t напряжение на выходе операционного усилителя 3 снова достигнет значения , что приведет к срабатыванию блока 8 и в счетчик 12 запишется уже число 2. При этом замкнется второй дополнительный ключ 17 и напряжение на вы- ходе операционного усилителя 3 начнет изменяться таким образом 1

з() -Ё() J ,

при ц t t.j , (5)

т.е. преобразователь перешел на третий диапазон. . ,

Подобное же переключение произойдет и в момент времени t, (фиг. 2). К моменту окончания импульса Т (мо- мент времени t) на выходе операционного усилителя 3 будет напряжение

з( -(с:т5,

УхЛ

RCCo+C, +С,+С., )(6)

в первом счетчике 10 будет записано число 3 и он будет вьщавать код, соответствующий четвертому диапазону преобразования.

В момент времени tj (фиг. 2) импульс с выхода переполнение счетчика 13 установит в единичное состояние второй RS-триггер 11, при этом сигналом с выхода элемента И 14 за- кроется первый ключ I-, а на второй вход первого дешифратора 19 с прямого выхода RS-триггера 11 приходит единичный сигнал и на выходе дешифратора 19 соответствующему выбран- ному в результате преобразования диапазону (коду с вьпсода счетчика 9) появляется сигнал, открывающий со

3244

ответствующий ключ 1. Таким образом к интегратору подключается блок 4. В рассматриваемом примере, так как был выбран четвертый диапазон через

оОь

резистор 2 потечет ток, равный .

Опорное напряжение имеет знак, обратный знаку преобразуемого напряжения. Поэтому напряжение на выходе операционного усилителя 3 начнет падать

Uj(t)

и

R(CO +с +с +с,)

+ 5(t-t J при t t t.

(7)

J - -5 / f -g X -5

Как только напряжение на выходе операционного усилителя 3 станет равным О, напряжение на выходе блока 7 упадет до низкого уровня и переведет RS-триггеры 10 и 11 в нулевое состояние.

При этом на вторые входы дешифраторов 18 и. 19 придет сигнал О, дешифратор 19 закроет соответствующий ключ 1, на вход операционного усилителя 3 прекратится подача опорного напряжения с выхода блока 4. На вход Разрешение счета второго счетчика 3 с прямого выхода RS-триг- гера 10 придет сигнал, запрещающий подсчет этим счетчиком импульсов с генератора 15. Код на выходе счетчика 3 соответствует длительности импульса на прямом выходе второго триггера 11, которая пропорциональна преобразуемому напряжению U , как видно из следующего выражения, получаемого из (7)

40

У11.ТЛ

и.

(8)

Таким образом, на выходе АЦП (выходах первого 12 и второго 13 счетчиков) по окончании времени преобразования образуется код, соответствующий величине U, , при этом на выходах счетчика 12 будет код номера диапазона преобразования, а на выходах счетчика 13 - код величины U внутри этого выбранного диапазона.

На фиг. 2 показан также процесс преобразования напряжения И меньшего, чем и , начиная с момента времени t. В этом случае преобразование производится на третьем диапазоне, при этом

г

г.

и,

(9)

Таким образом, в аналого-цифровом преобразователе с автоматическим выбором диапазона преобразования выбор диапазона происходит одновременно с преобразованием, что повышает быстродействие устройства.

Формула изобретения

Аналого-цифровой интегрирующий преобразователь с автоматическим выбором диапазона преобразования, содержащий накопительный элемент, выполненный на конденсаторе, токоогра- ничивающий элемент, выполненный на резисторе, первый ключ, вход которого является входной шиной, а выход объединен с выходом второго ключа и соединен с первым выводом резистора вход второго ключа соединен с первым выходом блока опорных напряжений, второй вывод резистора соединен с входами операционного усилителя ключа обратной связи и пер-- вой обкпадкой конденсатора, вторая обкладка которого объединена с выходами операционного усилителя ключа обратной СВЯЗИ и соединена первыми входами первого и второго блоков сравненияJ второй вход последнего является общей шиной, а выход соединен с R-входами первого и второго RS-триггеров, второй вход первого блока сравнения соединен с выходом источника порогового напряжения, S-вход первого RS-триггера является шиной Пуск, а прямой выход соединен с первым входом элемента И, первый и второй счетчики импульсов, выходы первого счетчика импульсов,являются первыми выходными шинами, генератор тактовых импульсов, отличающийся тем, что, с целью повышения быстродействия, введены .п-1 дополнительных ключей, п-1 до- 1полнительных ключей обратной связи, п-1 дополнительных накопительных элементов, выполненных на конденса

торахj где п - число диапазонов преобразования, два дешифратора, п-1 выходов первого дешифратора соединены с соответствующими п-1 управляю- щими вxoдa tи п-1 дополнительных

ключей,- п-й выход первого дешифратора соединен с управляющим входом второго ключа, выход которого объединен с выходами п-1 дополнительных ключей, входы которых соединены с соответствующими вторыми выходами блока опорных напряжений первые входы первого дешифратора объединены поразрядно с первыми входами вто- рого дешифратора и соединены поряз- рядно с выходами первого счетчика импульсов, второй вход первого дешифратора соединен с прямым выходом второго КЗ-триггера, инверсный выход которого соединен с вторым входом элемента И, выход которого соединен с управляющим входом первого ключа, S-вход второго RS-триггера соединен с выходом переполнения второго счетчика импульсов, выходы которого являются вторыми выходными шинами, а счетный вход соединен с выходом генератора тактовых импульсов, разрешаюкщй вход второго счетчика импульсов объединен с вторым входом второго дешифратора и соединен с прямым выходом первого RS- триггера, вход сброса первого счетчика импульсов объединен с входом сброса второго счетчика импульсов и является шиной Пуск, а счетный вход первого счетчика импульсов соединен с выходом первого блока сравнения, управляющие входы п-1 допол

нительных ключей обратной связи соединены с соответствующими выходами второго дешифратора, выходы п-1 дополнительных, ключей обратной связи объединены с выходом операционного усилителя-, а вход каждого из n-l дополнительных ключей обратной связи через дополнительный конденсатор объединен с входом операционного усилителя.

Редактор Н. Слободяник

Заказ 4426/58Тираж 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

Составитель А. Титов Техред Л.Сердюкова Корректор А. Обручар

Изобретение относится к импульсной технике. Цель изобретения - повышение быстродействия устройства. Это достигается тем, что в устройство, содержащее два ключа 1,2, операционный усилитель 3, конденсатор 5, ключ 6 обратной связиJ Два блока сравнения 7,8, блок 4 опорных напряжений, два RS-триггера 10,11, элемент И, генератор 15 тактовых импульсов, два счетчика 12,13, введены п-1 дополнительных (накопительных) элементов, выполненных на конденсаторах 16, n-l дополнительных клю- чей 17 обратной связи, два дешифратора 18,19, п-1 дополнительных ключей. 2 ил. (С (Л С taa д СП j