Аналого-цифровой преобразователь Советский патент 1987 года по МПК H03M1/56 

11295519

Изобретение относится к автоматичепр

ке, вычислительной и измерительной технике и может быть использойано для построения аналого-цифрового преобразователя (АЦП), для которого ис- точником аналогового напряжения служит набор датчиков, гальванически изолированнык друг от друга и от АЦП или находящихся под высоким или переменным потенциалом относительно друг друга и АЦП, или не допускающих питания постоянным напряжением.

Целью изобретения является расширение области использования и повышение точности.

На фиг.1 приведена функциональная схема преобразователя; на фиг.2- функциональная схема блока управления; на фиг.3-6 - различные варианты построения преобразователя временного интервала в код; на фиг.7 - схема стробируемого компаратора; на фиг.8- 11 - варианты выполнения датчиков напряжения; на фиг.12-14- временные диаграммы работы АЦЦ при выполнении преобразователей временного интервала в код и датчиков напряжений соответственно по фиг. 3 и 8; 4 и9; 5и9

Устройство (фиг.1) содержит интегратор 1, комапаратор 2, преобразователь 3 временного интервала в код, регистр 4, блок 5 управления, фильтр 6 и датчик 7 напряжения.

Блок 5 (фиг.2) содержит генератор 8 тактовых импульсов, счетчик 9 им- .пульсов, элемент ИЛИ-НЕ 10 и элементы И 11 и f2.

Преобразователь 3 может содержать элемент И 13 и реверсивный счетчик 14 импульсов (фиг.З), элементы И 15 и 16, элемент ИЛИ 17 и счетчик 18 импульсов (фиг.4), элементы И 19 и 20, элемент ИЛИ 21 и реверсивный счетчик 22 импульсов (фиг.5), элементы И 23 и 24 и реверсивный счетчик 25 импульсов (фиг.6).

Стробируемый компаратор (фиг.7) содержит компаратор 26,двухступен- чатьй D-триггер 27, С-вход которого соединяется с первым выходом блока 5.

Датчик 7 может содержать потенциометр 28 и трансформатор 29 (фиг.8) мостовой резистивный элемент 30 и предусилитель 31 (фиг.9), коммутатор 32, трансформатор 33, потенциометры 34 и трасформатор 35 (фиг.10), усилитель 36 мощности, трансформатор 37, электроды 38, предусилители 39 и 40 и коммутатор 41 (фиг.11).

На временных диаграммах (фиг.12- 14) обозначены: 42 - напряжение на четвертом вьпсоде блока 5} 43 - напряжение на выходе интегратора 1,

44- напряжение на выходе дятчика 7,

45- напряжение на выходе компаратора, 46 - напряжение на выходе элемента И 13, 47 и 48 - импульсы на выходе элемента ИЛИ 17; 49 и 50 - импульсы на третьем и втором выходах блока 5 51 и 52 - напряжения на выходе интегратора 1 и датчика 7; 53 - напряжение на выходе компаратора 2.

АЦП работает следующим образом. Генератор 8 непрерывно вырабатывает тактовые импульсы, частота которых f делится счетчиком 9 в . Прямоугольные колебания напряжения 42 (фиг. 12) с частотой /2 с вьгхода старшего разряда счетчика 9 поступают через фильтр 6 на датчик 7 и одновременно на вход интегратора 1. Если в качестве фильтра 6 использован конденсатор достаточно большой

емкости, эти колебания передаются на датчик 7 и интегратор 1 без искажений их формы. Из них лишь исключается постоянная составляющая напряжения. Напряжение 43 на выходе интегратора 1 имеет треугольных колебаний. Если в качестве датчика 7 используется потенциометр 28 и он (фиг.8) подключен к парафазной вторичной обмотке трансформатора 29,

выходное напряжение датчика 7 представляет собой прямоугольные колебания 44 (фиг.12), фаза которых совпадает с фазой колебаний напряжения 42 или противоположна последней в

зависимости от направления смещения движка потенциометра 28 датчика 7 от среднего положения. Амплитуда колебаний 44 на выходе датчика 7 пропорциональна степени смещения движка ot

его среднего положения. Поэтому на выходе комапаратора 2 напряжение имеет форму прямоугольных колебаний 45, имеющих сдвиг во времени относительно колебаний 42, линейно зависящий от смещения движка потенциометра 28 датчика 7,

(1JJ )-(1-КХ), (1)

где Т - период колебаний 42;

Uq - выходное напряжение датчика 7; Uu - амплитуда напряжения на выходе интегратора 1;

X - алгебраическая величина

смйщения движка потенциометра 28 датчика 7 от среднего положения;

К - коэффициент пропорциональности.

Если трансформатор 29 не используется и вход питания датчика 7 подсоединен к фильтру 6 непосредственно, то величина X может иметь только положительное значение.

В преобразователе 3 величина : преобразуется в цифровой код путем подсчета счетчиком 14 импульсов 46, поступающих с выхода элемента И 13 (фиг.З), импульсов 47 или 48 (фиг.13 поступающих с выхода элемента ИЛИ 17 (фиг.4), или импульсов, поступающих с второго входа преобразователя 3 (фиг.З). В преобразователе 3 (фиг.З) импульсы 46 проходят на счетный вход реверсивного счетчика 14, когда напряжение 44 датчика 7 превосходит напряжение 43 интегратора 1, причем при единичном логическом уровне напряжения 42 импульсы 46 прибавляются к содержимому реверсивного счетчика 14, а при нулевом уровне напряжения 42 они вычитаются из содержимого реверсивного счетчика 14. Код с послед него передается на регистр 4 по импульсам 49, поступающим с третьего выхода блока 5, в начале каждого очередного периода колебаний 42.

Вслед за этим импульсами 50,поступающими с второго выхода блока 5, счетчик 14 обнуляется Таким образом, в регистре 4 хранится результат подсчета импульсов 46 за предыдущий период колебаний 42. Счет в прямом направлении происходит в течение времени Т/4+(Т/4- ), а счет в обратном направлении - в течение времени 1. Общий результат, накопленный в счетчике 14 за период Т, пропорцио- налей времени T/4+(T/4-t)-T T/2-2t;, т.е. с учетом вьфажения (1) - величине X. Таким образом, код на выходе регистра 4 отражает величину аналогового напряжения на входе АЦП. Раз- ряды с первого по (п-1)-й реверсивного счетчика 14 отображает величину X, а п-й разряд - знак этой величины. Максимальное время счета импульсов 46 равно полупериоду колеба- НИИ, а частота импульсов 42 в четыре раза ниже частоты тактовых импульсов на счетном входе счетчика 9 (фиг.2).

10

15

20

25

), зо

955194

Поэтому между разрядностями счетчиков 9 и 14 должно выполняться соотношение

,

В преобразователе 3 (фиг.4) счетчик 18 не реверсивный, т.е. сод в нем во время счета только возрастает. Счет происходит при одинаковых логических уровнях сигналов на первом и четвертом входах преобразователя 3 (сигналы 42 и 45, фиг.13). Когда сигнал 44 (фиг.12) на прямом входе компаратора 2 совпадает по фазе с колебаниями 42, на счетный вход счетчика 18 поступают импульсы 47 и за полпериода колебаний 42, т.е. за время Т/2, счет происходит в течение времени T/4+(T/4-t)1/2-1. Когда сигнал 44 (фиг.13) на первом входе компаратора 2 противоположен по фазе колебаниям 42 (фиг.13), то на счетный вход счетчика 18 поступают импульсы 48 и счет происходит в течение времени Т/2-t. Таким образом, в обоих случаях, с учетом выражения (1), на счетчике 18 образуется код, пропорциональный величине T/4-t-KX, а за весь период Т - вдвое большей величине Т/2+2КХ. Поскольку величина Т/2 соответствует половине максимального значения времени счета, соответствующего условию t 0 или и,.и, значение старшего, п-го разряда счетчика 18 можно поставить в соответствие величине Т/2. Тогда код, накопленный в счетчике 18, без учет его старшего разряда окажется пропорциональным величине X. Значение старшего разряда счетчика 18 при этом можно рассматривать как знак величины X: единичное значение этог разряда указывает на то, что , а нулевое - на то, что X JO. Если старший разряд счетчика 18 передавать на регистр 4 с инверсией, то обеспечивается обратное обозначение знака числа,совпадающее с общепринятым обозначением чисел в дополнительном или обратном кодах. При этом оба рассмотренных варианта преобразователя 3 по представлению выходного кода АЦП оказываются эквивалент- /ными. Соотношение между m и п во втором варианте устройства то же, что и в первом.

В преобразователе 3 (фиг.5) на -реверсивный счетчик 22 счетные импульсы поступают с второго разряда

51

счетчика 9 (фиг.2), и реверсивный счетчик 22 считает непрерывно: в прямом направлении, когда сигналы на первом и четвертом входах преобразователя 3 имеют одинаковые логические значения, и в обратном направлении, когда эти сигналы имеют противоположные логические значения. Таким образом, в этом случае счетчик 22 насчитывает вдвое большую величину, чем в преобразователе 3 по фиг.3, Поэтому в этом случае .

Возможно использование АЦП с питанием датчиков напряжением не прямоугольной формы, а, например, гармоническими колебаниями. Выходные напряжения 51 и 52 (фиг.13) интегратора 1 и датчика 7 (фиг.14) в этом случае также имеют форму гармонических колебаний. Сдвиг по фазе между колебаниями 42 и колебаниями 53 (на выходе компаратора 2) в этом случае пропорционален величине

и

arctg

ila. .

и,.

Для использования АЦП в этом режиме достаточно применить узкополосный фильтр 6 с частотой пропускания, равной основной частоте колебаний 42.

Минимальная структура предложенного АЦП содержит блоки 1-7. Датчик 7 может иметь различное выполнение. Кроме трансформатора 29, в него могут быть введены другие дополнительные блоги, например, предусилиталь 31, необходимьй для использования датчиков, выполненных по мостовой схеме (фиг.9), трансформаторы 33 и 35, коммутатор 32 при использовании гальванически изолированных потенциометров 34 (фиг.10). Коммутатор 41 и усилитель 36 мощности используют подключении нескольких датчиков и при г овышенных требованиях к мощности питания датчика. При измерениях электрических полей в электролитах или морской воде роль датчиков выполняет система электродов 38 (фиг.1 опускаемых в электролит или в воду.

Компаратор 2 может быть выполнен в виде стробируемого комапаратора (фиг.7), а преобразователь 3-е реверсивным счетчиком, имеющим два счетных входа: С1 для прибавления единицы и С2 для вычитания единицы (фиг.6).

Стробируемый компаратор (фиг.7) состоит из компаратора 26 и двухсту95519 6

пенчатого D-триггера 27, D-вход которого соединен с выходом компаратора 26, С-вход - с первым выходом блока 5, а выход - с первым входом

преобразователя 3. Уровень выходного напряжения D-триггера 27 переключается вслед за переключением уровня выходного напряжения компаратора 26, но лишь в моменты спада импульW сов на первом выходе блока 5. При этом все время, пока сигнал на первом выходе блока 5 имеет единичный уровень, уровень выходного напряжения стробируемого компаратора 2 не 15 переключается, поэтому импульсы на С-входе счетчика преобразователя 3 имеют нормированную длительность, равную длительности импульсов на втором входе преобразователя-3. Ис20 пользование стробируемого компаратора исключает возможность появления на счетном входе счетчика преобразователя 3 ненормированных по длительности (укороченных) импульсов, кото25 рые при наличии в счетчике цепей ускоренного переноса могут вызвать ошибки в счете, превьшающие значение младшего разряда счетчика.

30

Питание датчиков переменным напряжением обусловливает возможн ость их гальванической развязки и использования АЦП для измерения электричес- ких полей в электролитах и морской

воде. Осуществляемое в АЦП измерение отношения напряжений (U,, /Uj) , пропорциональных напряжению питания датчика, обусловливает нечувствительность АЦП к нестабильности этого напряжения, а принцип работы преобразователя 3 - нечувствительность АЦП к дрейфу нуля усилителей (интегратора 1, компаратора 2, предусилителеЙ 31,, 39 и 40). .

40

45

Формула изобретения

50

, 1. Аналого-цифровой преобразователь, содержащий компаратор, первый вход которого соединен с выходом интегратора, выход компаратора соединен с первым входом преобразователя временного интервала в код, второй вход которого соединен с первым выходом блока управления, третий вход- с вторым выходом блока управления, отличающийся тем, что, с целью расширения области использо

55

712955

вания и повышения точности устройства, в него введены датчик напряжения, фильтр и регистр, первые входы которого соединены с соответствующими выходами преобразователя временного интервала в код, выходы являются выходными шинами, второй вход соединен с третьим выходом блока управления, четвертый выход которого непосредственно соединен с четвертым fo входом преобразователя временного интервала в код и через фильтр с объединенными входами интегратора и датчика напряжения, выход которого соединен с вторым входом компарато- 15 ра.

2.Преобразователь по п.1, отличающийся тем, что блок управления выполнен на генераторе тактовых импульсов, счетчике импуль- 20 сов, элементе ИЛИ-НЕ, первом и втором элементах И, выходы которых являются соответственно вторыми и третьими вьгходами блока управления, первые входы элементов И объединены 25 и соединены с выходом э лемента ИЛИ- НЕ, второй вход первого элемента И и второй инверсньм вход второго элемента И объединены и соединены с первым входом счетчика импульсов, 30 третьи входы элементов И объединены со счетным входом счетчика импульсов и соединены с выходом генератора тактовых импульсов, т-Г выходов счетчика импульсов соединены с соответству- 35 ющими входами элемента ИЛИ-НЕ, где - число разрядов счетчика импульсов, второй и го-й выходы счетчика импульсов являются соответственно первым и четвертым выходами блока 40 управления.

3.Преобразователь по п.1, отичающийся тем, что преобразователь временного интервала в

код выполнен на реверсивном счетчике 45 мпульсов и элемента И, первым и втоым входами которого являются соответственно первый и второй входы преобразователя временного интервала код, а выход элемента И соединен 50 со счетным входом реверсивного счетчика импульсов, входами реверса и сброса которого являются соответстенно четвертый и третий входы преобазователя временного интервала в 55 од, выходами которого являются выоды реверсивного счетчика импульсов.

4.Преобразователь по п.1, отичающийся, тем, что преоб198

разователь временного интервала в код выполнен на счетчике импульсов, элементе ИЛИ, первом и втором элементах И, первый инверсный вход первого элемента И объединен с первым прямым входом второго элемента И и является четвертьм входом преобразователя временного интервала в код, второй инверсный вход первого элемента И объединен с вторым прямым входом второго элемента И и является первым входом преобразователя временного интервала в код, третьи прямые входы первого и второго элементов И объединены и являются вторым входом преобразователя временного интервала в код, выходы первого и второго элементов И соединены через элемент ИЛИ со счетным входом счетчика импульсов, вход сброса которого является третьим входом преобразователя временного интервала в код, п-1 выходами которого являются прямые выходы счетчика импульсов, а п-м выходом является инверсньй выход счетчика импульсов, где п - число разрядов счетчика импульсов.

5.Преобразователь по п.1, о т - личающийся тем, что преобразователь временного интервала в

код выполнен на реверсивном счетчике импульсов, элементе ИЛИ, двух элементах И, первый и второй инверсные входы первого элемента И объединены соответственно с первым и вторым прямыми входами второго элемента И и являются соответственно первым и четвертым входами преобразователя временного интервала в код, выходы элементов И через элемент ИЛИ соединены с входом реверса реверсивного счетчика импульсов, счетный вход и вход сброса которого являются соответственно вторым и третьим входами преобразователя временного интервала в код, выходами которого являются выходы реверсивного счетчика импульсов.

6.Преобразователь по п.1, о т - личающийся тем, что преобразователь временного интервала в код выполнен на реверсивном счетчике импульсов и двух элементах И, первый, второй, третий прямые входы первого элемента И объединены соответственно с первым инверсным, вто- инверсным, третьим прямым входами второго элемента И и являются

9129551910

соответственно первым, четвертым и счетным входами реверсивного счетчи- вторым входами преобразователя вре- ка импульсов, вход сброса и выходы

которого являются соответственно третьим входом и выходами преобразова- 5 теля временного интервала в код.

манного интервала в код, выходы первого и второго элементов И соединены соответственно с прямым и обратным

Изобретение относится к автоматике, вычислительной и измерительной технике и может быть использовано для построения аналого-цифрового преобразователя (АЦП)f для которого источником аналогового напряжения служит набор датчиков, гальванически изолированных друг от друга и от АЦП или находяпщхся под высоким или переменным потенциалом относительно друг друга и АЦП, или не допускающих питания постоянным напряжением. Изобретение позволяет расширить область использования и повысить точность. Это достигается тем, что в устройство, содержащее интегратор 1, компаратор 2, преобразователь 3 временного интервала в код, блок 5 управления, датчик 7 напряжения, введены регистр 4 и фильтр 6. 5 з.п., 14 ил. с Эг - фиг.1

Фиг. 5

/5

Л-0

Фиг.6

0-

фиг. 7

Фиг. 8

Фиг. 9

00it2. 10

Фиг. 11

Фиг. П

« JiniL

JUUL

JUIIL

ЛЯ.

(put. 13

S3

Редактор О.Юрковецкая

Составитель А.Титов

Техред В.Кадар Корректор.М. Демчик

Заказ 627/61Тираж 902 Подписное

ВНИШШ 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.1