Многоканальный программируемый аналого-цифровой преобразователь Советский патент 1986 года по МПК H03M1/18 

ю

05 05

Изобретение относится к информационноизмерительной технике и может быть использовано в телеметрических системах для измерения на подвижных и вращакэщихся объектах.

Цель изобретения - расширение функциональных возможностей и новышение точности измерения медленно изменякзщихся сигналов без существенного увеличения габаритов и энергонотребления.

На фиг. 1 изображена структурная электрическая схема многоканального программируемого аналого-цифрового преобразователя; на фиг. 2 - функциональная схема одного из возможных вариантов построения блока управления; на фиг. 3 - функциональная схема одного из возможных вариантов построения блока связи.

Многоканальный программируемый аналого-цифровой преобразователь содержит блок 1 управления, входные шины 2, аналоговый коммутатор 3, усилите;1ь 4 с программируемым коэффициентом усиления, преобразователь 5 код-на 1ряжение, суммирующий усилитель 6, регистр 7, аналоговый сумматор 8, инвертирующий делитель 9, оперативный запоминающий блок 10, первый

11и второй 12 аналоговые запоминающие блоки, преобразователь 13 напряжение-код, блок 14 синхронизации, шины 15-17 соответственно команд, данных и синхронизации.

Рекурсивный фильтр 18 состоит из аналогового сумматора 8, инвертирующего аналогового делителя 9 и первого 11 и второго

12аналоговых запоминающих блоков, управляемых нротивофазно.

Блок 1 управления может быть реализован, например, по функциональной электрической схеме (фиг. 2), содержащей регистр 19 команды, дещифратор 20, второй счетчик 21 числа циклов, первый инвертор 22, первый счетчик 23 размера реализации, первый 24 и второй 25 триггеры, элемент 2И-ИЛИ 26, формирователь 27 импульсов, мультиплексор 28, второй инвертор 29 и элемент ИЛИ 30.

На управляющий и информационный входы регистра 19 команды поступают из блока 14 синхронизации (фиг. 1) соответственно импульсы сдвига и код команды.

Блок 14 синхронизации может быть реализован, например, по функциональной электрической схеме (фиг. 3), содержащей первый 31 и второй 32 приемники, узед 33 формирования пачек имнульсов и передатчик 34.

Многоканальный программируемый ана лого-цифровой преобразователь работает следующим образом.

До посту 1ления команды на управляющие входы усилителя 4 с программируемым коэффициентом усиления и регистра 7 из блока 1 управления подаются управляющие сигналы, при которых напряжения на выходах усилителя 4 с программируемым коэффициентом усиления и преобразователя 5 код-- напряжение, преобразующего в напряжение выходной код регистра 7, равны нулю. При этом напр жение на выходе суммирующего усилителя 6 также равно нулю. Это нулевое напряжение поступает на вход аналого-цифрового рекурсивного фильтра 18 первого порядка, в котором функцию линии задержки на один такт выполняет второй аналоговый запоминающий блок 12, который управляется в противофазе с первым аналоговым запоминающим блоком 11, т. е. когда первый находится в режиме выборки, второй в режиме хранения, и наоборот. Нулевое напряжение запоминается в обоих аналоговых запоминающих блоках 11 и 12 до начала измерения. Это необходимо для исключения в.мияния финитного сигнала на работу фильтра 18, т. е. в первом такте измерения на выходе второго аналогового запоминающего блока 12 напряжение равно нулю, тогда на вход первого аналогового запоминаюндего блока поступает напряжение, равное входному напряжению фильтра 18.

Команда, поступающая но шнне 15 ко-. манд в блок 14 синхронизации, представляет собой двоичное слово. Согласно принятой команде происходит измерение входiib x сигналов, поступающих на шину 2 информационных входов. В каждой команде указываются номер измеряемого капала, требуемый коэффициент усиления, размер реализации, число циклов рециркуляции и режим работы, т. е. или измеряется один фон, или полезный сигнал.

При работе устройства в режиме измерения фона на управляющие входы аналогового коммутатора 3, усилителя 4 с программируемым коэффициентом усиления и регистра 7 из блока 1 у травления поступают такие управляющие сигналы, при которых аналоговый коммутатор 3 подключает требуемый канал к входу усилителя 4 с программируемым коэффи дис}1том усиления, коэффициент усиления которого выставляется согласно команде, а выходной код регистра 7 остается таким, при котором напряжение на выходе преобразователя 5 код - 1 апряженне )авно нулю.

Напряжение на входе усилителя 4 с программируемым коэффициентом равно

УВХ ЬФ;|-| ОДР,

1де /Фл - напряжение фона п-го канала; f/.ip - дрейф усилителей 4 и 6, приведенный к входу. В свою очередь,

/7Ф„ Lc 111,,-}-(7пом„, 1де ( - - напряжение начального сдвига

п-го канала;

LnoM,, - напряжение помехи, возникающей на соединительных проводах в п-м канале.

Напряжение сдвига, в свою очередь, состоит из напряжения смен1ения аналогового коммутатора и напряжения начального смещения источника сигнала (при тензометрии, например, это разбаланс тензомоста). Усиленное напряжение поступает на вход рекурсивного фильтра 18. В первом такте измерения, когда первый аналоговый запоминающий блок 11 берет первую выборку фонового сигнала, во втором аналоговом запоминающем блоке 12 хранится нулевое напряжение, которое не оказывает влияния на первую выборку, в дальнейшем напряжение рекурсивного фильтра 18 определяется выражением . у(пТ)х(пТ)-Ьу(), где у(пТ) - напряжение л-й выборки на выхо де фильтра; у(пТ-Т) - напряжение (п-1)-й выборки на выходе фильтра; х(пТ) - напряжение на входе фильтра для л-й выборки; b - коэффициент деления инвертирующего аналогового делителя 9. Напряжение с выхода фильтра поступает на информационный вход преобразователя 13 напряжение-код, преобразуется в цифровой код и записывается на первую страницу оперативного запоминающего блока 10 по первому адресу. Аналогично по второму адресу первой страницы блока 10 записывается цифровой код второй выборки и т. д. Измерение фона в выбранном канале осуществляется многократно, при этом на первой странице оперативного запоминающего блока 10 записывается реализация случайного процесса, количество выборок в которой определяется командой. Когда число выборок сравнивается с требуемым, на управляющие входы усилителя 4 с программируемым коэффициентом усиления и регистры V числа поступают такие управляющие сигналы, при которых напряжение на выходе усилителя 4 с программируемым коэффициентом усиления равно нулю, а в регистр 7 числа поступает разрешение записи информации с выхода оперативного запоминающего блока 10. Напряжение с выхода преобразователя 5 код-напряжение, преобразующего цифровой код, считываемый из оперативного запоминающего блока 10 и записанный затем в регистр 7 числа, в напряжение, поступает на первый вход суммирующего усилителя 6. Таким образом, замыкается цепь обратной связи: аналоговый сигнал с выхода суммирующего усилителя 6 проходит через рекурсивный фильтр 18, преобразуется в цифровой код, затем снова в напряжение и поступает на вход суммирующего усилителя 6, т. е. происходит рециркуляция информации. Информация, хранящаяся по первому адресу в оперативном запоминающем блоке 10, переписывается в регистр 7 числа, преобразуется в аналоговое напряжение преобразователем 5 код-напряжение, усиливается суммирующим усилителем 6 и поступает на вход рекурсивного фильтра 18, выходное напряжение которого преобразуется в цифровой код преобразователя 13 напряжение-код и снова записывается по первому адресу на первую страницу оперативного запоминающего блока 10. При этрм оперативный запоминающий блок 10 работает в режиме считывания тогда, когда первый аналоговый запоминающий блок 11 работает в режиме выборки, второй аналоговый запоминающий блок 12 - в режиме хранения, а преобразователь 13 напряжение-код - в режиме ращения, т. е. очистки выходного регистра и подготовки к следующему циклу преобразования. В это время источником информации является оперативный запоминающий блок 10. Когда первый аналоговый запоминающий блок И переходит в режим хранения, то уже он становится источником информации. При этом второй аналоговый запоминающий блок 12 переходит в режим выборки, преобразователь 13 напряжение-код - в режим преобразования, а оперативный цифровой запоминающий блок 10 - в режим записи. Таким образом, после окончания первого такта преобразования по первому адресу первой страницы оперативного цифрового запоминающего блока 10 записывается новое число, которое отличается от предыдущего тем, что аналоговый сигнал, цифровым эквивалентом которого оно является, дважды проходит через рекурсивный фильтр 18. Для информации, записанной по другим адресам оперативного цифрового запоминающего блока 10, процесс рециркуляции происходит аналогично. После окончания первого цикла рециркуляции на первой странице оперативного запоминающего блока 10 оказывается записанной реализация случайного процесса, все выборки которой дважды прощли через рекурсивный фильтр 18. Число циклов рециркуляции указывается в командном слове, и рециркуляция продолжается до тех пор, пока число циклов рециркуляции не совпадает с заданным. От числа циклов рециркуляции зависит частота среза рекурсивного фильтра 18, который для частот, лежащих в диапазоне (где Т - длительность такта преобразования выборки аналогового сигнала в цифровой эквивалент), является фильтром нижних частот. Амплитудно-частотная характеристика рекурсивного фильтра 18 первого порядка определяется выражением К(.. Vl-ffr-26со5а)7 где b - коэффициент деления делителя 9; Т - длительность такта преобразования. Для N циклов рециркуляции коэффициент передачи имеет вид KN(«) -(. J +b -2bcosu T при этом должно быть выполнено условие, при котором общий коэффициент передачи в кольце рециркуляции должен быть равен i при а)0 для любого значения /V. -Из этого выражения мОжно определить. чему равна частота среза фильтра данном числе циклов рециркуляции ( ./-о- V + Ь 2ЬсозшГ l+bMl-bf-2 arccosr 2b или необходимое число циклов рециркуляции для получения требуемой частоты сре за 1 +г -26со5(2я/,:р7 )М (1-Ь)/JПосле окончания процесса рециркуляции оперативный запоминающий блок 10 на один такт преобразования переключается на вторую страницу и информация о фоновом сигнале измеряемого канала переписывается на вторую страницу по адресу, равному номеру измеряемого канала. Так как в фоновом напряжении измеряемого канала, записанном па первой странице, после фильтрации отсутствуют или значительно ослаблены высокочастотные составляющие, то его выборки незначительно отличаются одна от другой, и любая из них может быть использована для компенсации низкочастотных составляющих аддитивной погрешности при измерении полезного сигнала. Таким образом, после измерения фона во всех каналах на второй странице операливного запоминающего блока 10 записывается информация о фоновых напряжениях во всех каналах, причем номер капала равен адресу, по котор.ому записана инфо)мация о его фоновом напряжении. По окончании выполнепия команды «Измерение фона для каждого капала после окончания процесса рециркуляции и перезаписи информации на вторую страницу памяти, до поступления ко.мандь, по которой пачинается измерение фона в следующем канале, на регистр 7 подается такой управляющий сигнал, при котором сигнал на выходе гфеобразователя 5 код-напряжение и, следовательно, финитный сигнал фильтра равен нулю. Измерение сигнала происходит следующим образом. При поступлении команды «Измерение сигнала до начала процесса измерения аналоговый коммутатор 3 выбирает требуемый номер канала, а оперативный запоминающий блок 10 переключается на вторую страницу на адрес, равный номеру измеряемого канала, в режим считывания. Информация о фоновом напряжении в измеряемом канале переписывается в регистр 7 числа и хранится в нем в течение всего времени измерения. Па управляющий вход усилителя 4 с программируемым коэффициентом усиления подается управляющий сигпал, по которому выбирается требуемый коэффициент усиления. Аналогично тому, как и при измерении фона, на первую стргницу оперативного запоминающего блока 10 записывается реализация случайного процесса, представляющая собой совокупность выборок суммарного сигпала, поступающего с выхода суммирующего усилителя 6 на вход рекурсивного фильтра 18. При преобразовании кода в напряжение преобразователем 5 код-напряжение происходит инверсия сигнала, поэтому сигпал на выходе суммирующего усилителя 6 пропорционален разности напряжений на его выходах-, т. е. (UC-U). где К - коэффициент усиления суммирующего усилителя 6. Когда число выборок в реализации сравнивается с заданным, па управляющие входы усилителя 4 с программируемым коэффициентом усиления и регистр 7 подаются управляющие сигналы, при которых коэффициент передачи усилителя 4 равен нулю, а регистр 7 переходит из режима храпения в режим записи. При этом замыкается кольцо рециркуляции, которая происходит аналогично, как при измерении фона. При четпо.м числе циклов рециркуляции инверсия информации, возникающая в кольце рециркуляции, влияния на результат измерения не оказывает. Коэффициент усиления, размер реализации и число циклов рециркуляции должны для каждого канала выбираться точно тгкими же, как и при измерении фона в этом канале, при этом полностью компенсируется аддитивная составляющая погрещности измерения, накапливающаяся при рециркуляции. После окончапия пооцесса рециркуляции на первой странице оперативного запоминающего блока 10 оказывается записанным сигнал, измеряемый в выбранном канале в течение времени записи реализации, причем высокочастотные составляюпдие аддитивной смеси сигнала и щума, действующей . па входе устройства, отфильтровываются рекурсивным фильтром 18, а низкочастотный аддитивный шум и начальный сдвиг устраняются за счет алгебраического суммирования полезного сигнала с фоном в суммирующем усилителе 6. Измерение сигнала в каждом канале заканчивается выводом информации из оперативного запоминающего блока 10 через регистр 7 в блок 14 синхронизации и на щину 16 данных по сигналу, поступающему в блок 14 из блока 1 управления. Причем может быть выведена как и вся реализация сигна.1а, так и од-, на его последняя выборка.

Измерение сигнала в других каналах происходит аналогично.

Размер реализации выбирается исходя из длительности входного сигнала и из требуемой скорости измерения.

Применение аналого-цифрового нрограммируемого рекурсивного фильтра 18 с управляемым числом циклов рециркуляции позволяет оперативно перестраивать амплитудно-частотную характеристику измерительного тракта в зависимости амплитудно-частотной характеристики источника входного сигнала, при этом увеличивается отношение сигнал-шум на информационном входе преобразователя 13 напряжение-код и тем самым повышается точность измерения.

Работа блоков 1 и 14 соответственно управления и синхронизации происходит следуюш.им образом (фиг. 1-3).

При поступлении на шину 15 команд командного слова в последовательном коде, а на шину 17 синхронизации синхроимпульсов команда, пройдя через первый приемник 31, служаш.ий для согласования входа блока I управления с шиной 15 команд, записывается в регистр 19 команд. При этом узел 33 формирования пачек импульсов вырабатывает пачку импульсов, число которых равно количеству двоичных разрядов командного слова. Эти импульсы являются импульсами сдвига регистра 19 команд. Узел 33 формирования пачек импульсов запускается стартовой посылкой, поступающей перед первым разрядом командного слова. После прихода стоповой посылки импульсы сдвига прекраш.ают поступать на управляющий вход регистра 19 команды и вырабатывается сигнал «Команда принята, представляющий собой короткий положительный импульс.

До поступления сигнала «Команда принята оба триггера 24 и 25 и оба счетчика 21 и 23 находятся в нулевом состоянии. При этом регистр 7 обнулен сигналом логической «1, поступающей с выхода второго триггера 25, а дешифратор 20 блокирован сигналом логической «1, поступающей с выхода первого триггера 24, коэффициент усиления усилителя 4 с программируемым коэффициентом усиления равен нулю.

В режиме Измерение фона блок 1 управления работает следующим образом.

С пятого выхода регистра 19 команды на информационный вход второго триггера 25 и второй вход первой схемы И элемента 2И-ИЛИ 26 поступает логический «О, при этом на первый вход второй схемы И элемента 2И-ИЛИ 26 поступает логическая «1, при этом на выходе имеется логический «О до тех пор, пока не появится сигнал переполнения счетчика 21, при этом на время этого импульса переполнения страница оперативного запоминающего блока 10 переключается с первой на вторую, а мультиплексор пропускает на адресную шину оперативного запоминающего блока 10 сигналы с выходов счетчика 23. Сигналы переполнения счетчиков 21 и 23 представляют собой короткие отрицательные импульсы.

При поступлении сигнала «Команда принята первый триггер 24 изменяет свое состояние на противоположное, при этом разблокируется дешифратор 20, а второй триггер 25 не изменяет своего состояния и регистр 7 остается обнуленным. При переполнении счетчика 23 первый триггер 24 снова переключается в нулевое состояние, дешифратор 20 блокируется, а на управляющий вход регистра 7 подается сигнал разрешения записи. При этом второй триггер 25 также изменяет свое состояние на противоположное и с регистра 7 снимается обнуление. В таком состоянии триггеры 24 и 25 находятся до появления сигнала пере,полнения счетчика 21, который устанавливает второй триггер 25 в исходное нулевое состояние и, поступая на третий вход формирователя импульсов, разрещает вывод информации на шину 16 данных через блок 14.

В режиме Измерение сигнала блок 1 управления работает следующим образом.

С пятого выхода регистра 19 команды на информационный вход второго триггера 25 и второй вход первой схемы И элемента 2И-ИЛИ 26 поступает логическая «1.

При этом сигнал «Команда принята проходит на выход элемента 2И-ИЛИ 26, переключает мультиплексор 28 и страницу оперативного запоминающего блока 10 и, кроме того, разрешает запись в регистр 7. После окончания сигнала «Команда принята регистр 7 переходит в режим хранения. Оба триггера 24 и 25 при поступлении сигнала «Команда принята изменяют свое состояние на противоположное, при этом разблокируется дешифратор 20 и снимается обнуление с регистра 7. После переполнения счетчика 23 первый триггер 24 изменяет свое состояние на противоположное, при этом блокируется дешифратор 20 и разрешается запись в регистр 7 числа, а второй триггер 25 своего состояния не изменяет. Сигнал переполнения счетчика 21 устанавливает второй триггер 25 в исходное нулевое состояние и разрешает вывод информации на шину 16 данных.

Формирователь 27 импульсов формирует из последовательности синхроимпульсов импульсы управления первым и вторым аналоговыми запоминающими блоками 11 и 12, цифровым оперативным блоком 10, преобразователем 13 напряжение-код, регистром 7 числа и счетчиком 23 размера реализации.

Формула изобретения

1. Многоканальный программируемый аналого-цифровой преобразователь, содержажий блок управления, первый, второй, третий и четвертый выходы которого соединены соответственно с первыми входами аналогового коммутатора, оперативного запоминающего блока, преобразователя напряжение-код и блока синхронизации, второй и третий входы которого являются соответственно шиной команд и шиной синхронизации, а первый и второй выходы соединены с первым входом блока управления и выходной шиной, первый аналоговый запоминаюш,ий блок, выход которого через преобразователь напряжение-код соединен с вторыми входами оперативного запоминающего блока, отличающийся тем, что, с целью расширения функциональных возможностей и повышения точности измерения медленно : изменяющихся сигналов, в него введены уси литель с программируемым коэффициентом усиления, аналоговый сумматор, суммирующий усилитель, второй аналоговый запоминающий блок, инвертирующий делитель, преобразователь код-напряжение и регистр, причем пятый, шестой, седьмой и восьмой выходы блока управления соединены соответственно с первыми входами усилителя с программируемым коэффициентом усиления, регистра, первого и второго аналоговых запоминающих блоков, при этом вторые входы аналогового коммутатора являются входными шинами, а выход через усилитель с программируемым коэффициентом усиления соединен с первым входом суммирую щего усилителя, второй вход которого через преобразователь код-напряжение соединен с выходами регистра, вторые входы которого соединены с выходами оперативного запоминающего блока, второй вход второго аналогового запоминающего блока соединен с выходом первого аналогового запоминающего блока, выход которого через инвертирующий делитель соединен с первым входом аналогового сумматора, второй вход которого соединен с выходом суммирующего усилителя, выход - с вторым входом первого аналогового запоминающего блока, а четвертые входы блока синхронизации соединены с выходами регистра. 2. Преобразователь по п. I, отличающийся тем, что блок управления выполнен на регистре команды, дещифраторе, двух счетчиках, двух инверторах, двух триггерах, элементе 2И-ИЛИ, формирователе импульсов, мультиплексоре, элементе ИЛИ, выход которого является шестым выходом блока управления, третий, четвертый, шестой, седьмой и восьмой выходы которого являются с первого по пятый выходами формирователя импульсов, шестой выход которого соединен с первым входом первого счетчика, вторые входы которого соединены с первой группой выходов регистра команды, вторая группа выходов которого соединена с первыми входами мультиплексора и является первыми выходами блока управления, вторые выходы которого являются выходами мультиплексора, второй вход которого соединен с выходом элемента 2И-ИЛИ и является вторым выходом блока управления, а третьи входы соединены с первыми выходами первого счетчика, второй выход которого соединен с первым входом второго счетчика, / -входом первого триггера и S-входом второго триггера, D-вход которого объединен с первым входом элемента 2И-ИЛИ и входом первого инвертора и подключен к третьему выходу регистра команды, выход первого инвертора соединен с вторым входом элемента 2И-ИЛИ, третий вход которого объединен с С-входами триггеров, первым входом элемента ИЛИ, первым входом формирователя импульсов и является первым входом блока управления, шестой выход которого является выходом второго триггера, / -вход которого объединен с первым входом второго инвертора, вторым входом формирователя импульсов и соединен с выходом второго счетчика, входы которого соединены с четвертой группой выходов регистра команды, пятая группа выходов которого соединена с первыми входами дешифратора, второй вход которого объединен с вторым входом элемента ИЛИ и подключен к выходу первого триггера, S- и О-входы которого подключены к шине положительного потенциала, первый и второй входы регистра команды и третий вход формирователя импульсов являются первыми входами блока управления, пятыг выходы которого являются выходами дешифратора, а четвертый вход элемента 2И-ИЛИ соединен с выходом второго инвертора.

Г

Импульсы сд&ига Команда Коэсрсрициент. усиления Синкроимп льсы

1 /Y2 канала Разреи ение записи в регистр числа Обнуление регистра числа Страница Выборка I кранЕние Запись /счытывани/ Гамен1 е/ преобразования Запись в регистр Вывод инсрор иац1 и

Изобретение относится к информационно-измерительной технике и может быть использовано в телеметрических системах. Изобретение позволяет расширить функциональные возможности устройства и повысить точность измерения медленно меняющихся сигналов за счет введения в устройство, содержащее блок управления, аналоговый коммутатор, оперативный запоминающий блок, первый аналоговый запоминающий блок, преобразователь напряжение - код и блок синхронизации, усилителя с программируемым коэффициентом усиления, аналогового сумматора, суммирующего усилителя, второго аналогового запоминающего блока, инвертирующего делителя, преобразователя код-напряжение и регистра. 1 з.п. ф-лы, 3 ил.

Фиг. 2

Инерормация

Мина данных