Интегрирующий аналого-цифровой преобразователь Советский патент 1987 года по МПК H03M1/52 

Изобретение относится к электро- змерительной технике и может быть спользовано для построения прецизионных цифровых средств измерения.

Цель изобретения - повьпление точ j нести.

На фиг. 1 приведена функциональная схема устройства; на фиг, 2 и 3 - временные диаграммы работы устройства; на фиг. 4 - его амплитудно- 10 частотная характеристика; нафиг. 5 - конструкция устройства управления.

Устройство (фиг. 1) содержит переключатели 1 и 2, ключи 3 и 4, дифференциальный усилитель 5, интегра- 5 торы 6 и 7, неинвертирующий усилитель 8, нуль-орган 9, генератор 10 тактовых импульсов, устройство 11 управления и преобразователь 12 временных интервалов в код, ключ 13., .20 причем интегратор 6 состоит из резисторов 14, 142 I4j конденсатора 15, операционного усилителя 16, интегратор 7 - из резисторов 17 и 17 , ключей 18-20, конденсаторов 21 и 2Z, -5 операционного усилителя 23.

Устройство 11 управления (фиг. 5) содержит делители 24-26 частоты, формирователи 27 и 28 импульсов, счетчик 29 импульсов, RS-триггер 30, ин- -30 верторы 31-34, элементы ИЛИ 35 и 36, элементы И 37 и 38, выход последнего из которых является вторым входом устройства управления, первый вход устройства управления объединен с 35 входом делителя 24 частоты, выход элемента 37 является восьмьм выходом устройства управления, выход инвертора 34 является третьим выходом устройства управления, выход делитешя 40 .25 частоты является пятым выходом устройства управления. Выход делителя -26 частоты является шестым выходом устройства управления, вход формирователя 27 импульсов является вто- 45 рым входом устройства управления, выходы элементов ИЛИ 35 и 36 являются четвертьгм и седьмым выходами устройства управления соответственно, выход инвертора 31 является первым 50 выходом устройства управления.

Работа устройства осуществляется .следующим образом.

Полный цикл преобразования Тц состоит из частных циклов Т ц 2 1. 55 Рассмотрим сначала процесс преобразования за один частный i-й цикл Тц-.

Начиная с момента времени по сигналу с устройства 11 управления

переключатели .1 и 2 находятся в положениях, показанных на фиг. , и на выходе дифференциального усилителя 5 с коэффициентом усиления, равным в данном 1 , формируется преобразуемое напряжение U;(.t) положительной полярности (эпюра а, фиг. 2) Для простоты (без ограничения общности получаемых далее форьгул) примем, что напряжение Uy(t) постоянно в течение частного цикла преобразования и равно Uv „

В интервале t,; t ключ 13 находится в разомкнутом состоянии. К нх.одам интегратора 6 подаются выходное напряжение дифференциа-пьного усилителя 5, опорное напряжение U и напряжение смещения е, (t) интегратора 7, Кроме того, на результат интегрирования влияет собственное смещение е i,t) операционного усилителя (ОУ) интегратора 6. Примем, что напряжения смещения дифференциального усилителя и ОУ интеграторов за времена частных циклов Т не меняют своих значений. Поэто1-гу при выводе функции преобразования вместо обозначений e(t), e(i,}, (t), e2(t и E(t) будем использовать обозначения е , е, е,„ , е,и Е (Е - напряжение смещения дифференциального усилителя 5).

К моменту t выходное напряжение интегратора 6 достигает значения

. / I 4TR R п , т, Ч

-lliL

3

(ti- tc)

,4i(4,+ RT. )Ci5

где Up - опорное напряжение (Uj, -7 O е-„ - напряжение Смещения ОУ ин/ п

тегратора 7, оказьшающее действие ,на результат интегрирования интегратором 6 1олько за время, когда ключ 13 находится в разомкнутом состоянии;

Pl4,Rui+ Ri,(P,4,+ H.,,J +

R,4,(Ri43- Rn,);

- ч

3 . 1 Тц/2 представляет собой четверть цикла преобразования, а Тц, - половину частного цикла преобразования.

В этот же момент по сигналу с устройства 11 управления замыкается ключ 13 и выходное напряжение отрицательной полярности неинвертирующего усилителя 8 поступает на третий вход интегратора 6 и первый вход ин- тегратора 7.

К моменту времени t напряжение на выходе интегратора 6 достигает значения

u,-(t,) u,(tj -|(vt,)-

RH,C

t ) - °

UxRMj,. .

-R-(t,-t,) Ч,

- ft -t +

+ R., г o

(t.-t,) +

RH..R

14.

20

a в течение времени определяются выражением для Uoc. Общая площадь сигнала на выходе ключа 13:

S 41

61 h Тц; Ri4. Тц,Хл. j, Н 4.

4i f4j

R«+R

Мч

,

2

ei d R 14 3

t U(,c - напряжение на выходе ключа .13 в интервале от ti, когда оно остается постоянным и равным (за вычетом падения напряжения на замкнутом30 у 1итьшая, что ключе) напряжению насыщения усилителя 8 (эпюра с, фиг. 2)„

В момент времени tj усилитель 8 выходит из насыщения и начинает действовать обратная отрицательная связь (ООС) через замкнутый ключ 13 и резистор 14, охватывающая последовательно включенные интегратор 6, усилитель 8 и ключ 13. Постоянная времени этого апериодического звена

равна ® S коэффициент усиления усилителя 8. По окончании переходного процесса, который длится весьма короткое время, в расRl7,)

t

Тц, /2.

Za

2

Г,,-;

3

в момент t1 по сигналу с устройства 11 управления замыкаются ключи 3 и 18 и размыкаются Аи 19. Сигнал 35 с выхода ключа 13 поступает в течение интервала tjj на интегратор 7, который к моменту t имеет некоторое начальное напряжение. Причем это начальное напряжение имеет место во всех частных циклах, кроме первого, перед началом которого интегратору 7 принудительно задаются нулевые начальные условия посредством одновременного замыкания ключей 18,

40

сматриваемой системе устанавливается 45 19 и 20 на короткое время, достаточei d R 14 3

шая, что

Rl7,)

t

Тц, /2.

Za

2

Г,,-;

3

у 1итьшая, что

в момент t1 по сигналу с устройства 11 управления замыкаются ключи 3 и 18 и размыкаются Аи 19. Сигнал с выхода ключа 13 поступает в течение интервала tjj на интегратор 7, который к моменту t имеет некоторое начальное напряжение. Причем это начальное напряжение имеет место во всех частных циклах, кроме первого, перед началом которого интегратору 7 принудительно задаются нулевые начальные условия посредством одновременного замыкания ключей 18,

19 и 20 на короткое время, достаточнапряжение обратной связи

и

ос

ное для полного разряда конденсаторов 21 и 22. В результате напряжение на выходе интегратора 7 к моменту времени t, достигает значения

50

Начиная с момента 1: на выходе интегр атора 6 устанавливается напряжение

U,(t)

и

ос

t / t.

V . -г -i

8

Площадь импульса на выходе 13 в течение времени t - t

Urf(tj) .. С

-гт, 11

Uicftj

-tj + tj) 4. ei(Rn. + RiTg)

Uo Тц,,t

Тц1

n.nAi

5, 13

где - начальное напряжение для нечетного полуцикла частного 1-го цикла преобразования.

Начальное напряжение для 1-го цикла преобразования соответствует конечному значению напряжения для (1- 1)-го цикла. Это напряжение представляет собой выходное напряжение интегратора 7 в момент окончания нечетного полуцикла (i-O-ro частного цикла преобразования.

После момента t- .ключ 13 размыкается по команде с устройства управления и на интегратор 7 поступает опорное напряжение 11, и напряжение е смещения ОУ интегратора 6. Поэтому на интервале времени tj; t напряжение на выходе интегратора 7 изменяется по закону

u/t) u,(t,) Uo (,

R.,C..

S2 (4 } + R - R-I-JI) (

+

(RMJ

eiH (t - ti) (Р.Л.+ Ri7JCi.

14

где - смещение по напряжению ОУ интегратора 6, влияющее на результат интегрирования интегратором 7 за время, когда ключ -13 находится в разомкнутом состоянии.

В момент времени i, выходное напряжение интегратора 7 переходит нулевой уровень, в результате чего выходное напряжение нуль-органа 9 изменяет свою полярность. Соответствующий сигнал поступает на устройст- во 11 управления, которое в этот момент замыкает ключ 4 и размыкает 3. Благодаря этому интегратором 7 интез:- рируется напряжение смещения е. и собственное напряжение смещения е. Таким образом, к моменту времени t, .на интегрирующем конденсаторе 21 накапливается напряжение UKKJ - конечное для нечетного i-ro полуцикла преобразования, соответствующее начальному напряжению UHH ,-+., для (i+O го нечетного полуцикла. В момент t t с учетом t - tj йТщ

Ri7a,CiyUHHi , U Ri4jRn ;. т 4-

Uo .7,

4. ft .Ф 4. 61 (, +R,J-etHRn) -,.

- u,(.J

А458

KH.

n г1 5

- оf.

рде A Т + Т . - lPn,Ri4, U,R,,,R,,

ehR ,4; Tu, eiHRj4-iRni U,R,,R,, Uo(R,4, - Rn,)Rn,

to

TV,- e,d Ri4}R ;Тф

2 иЖ4, + Ri,,)R,,,Rn,R,47 2

+ елЙ1Ь,+, Rni) Tu.r ,5 2 U,R,, 2

По аналогии с этим и при условии, что и,- О и О (фиг. За), можно составить уравнения преобразо- вания для 1-го .. . , 1-го ..., п-го нечетных частных полуциклов.

Уравнение, описьшающее процесс преобразования в последнем п-м частном нечетном полуцикле, отличается от всех предшествующих уравнений тем, что длительность этого полуцикла укорочена, вследствие чего реальная весовая функция(фиг, 3 б, сплошная линия) отличается от идеальной (пунктирная линия, фиг. 3 б). Такое искажение весовой функции приводит к появлению в ней постоянной составляющей и, как следствие, к неполному подавлению напряжений е и смещения интеграторов.

Однако, если количество частных циклов в пределах одного полного цикла достаточно велико, указанное отличие реальной весовой функции от идеальной практически мало скажется на степени подавления низкочастотных внутренних шумов, в том числе напряжения смещения.

Длительность суммарного интервала времени лТц, пропорционального среднему значению преобразуемого напря- жения и за время нечетных частных полуциклов полного цикла преобразования Т| :

т 7 . + А. -f

V UoR,..Ri7, т

+ Т , + Rn. + Ri7;)-ei, rL Uo Ri43+ Ri7,)

Tg,i г ег(В- 4а+Нп,+Вч,)-е iHRi4, i 2 Lи„(Е,,,+ R,,,)J

T.,

В течение четного полуцикла i-ro частного цикла преобразования в момент времени t по сигналу с устройства 11 управления изменяется состояние переключателей 1 и 2 и размыкается ключ 13. В результате на вы- выходе дифференциального усилителя 5 формируется преобразуемое напряжение отрицательной полярности и начинается четный i-й частный цикл преобразования. В момент времени t происходит смена состояний ключей 18 и 19, конденсатор 21 отключается от выхода интегратора 7 и хранит напряжение ,- , конечное для нечетного 1-го частного полуцикла, а конденсатор 22 второй обкладкой подключается к выходу интег ратора 7. Процесс преобразования, происходящий в четном полуцикле, подобен процессу, имеющему место в нечетном полуцикле. С учетом смены знаков преобразуемого напряжения суммарный интервал времени, пропорциональный среднему значению и за время четных полуциклов, определяется вьфажением

йТ4 - Z

УХ Rf4iR - i

Г U,R,,R,,,

4- Т д + У Г г (R м .+R п, +R ,т г) е,н

Г f 1 U,(RM,+ R,,,)

ы

иЛК7,Ж7Т

Г 61 (Ri4 +R 7i+Ri7t)-e,H Rf4} 1

+ I -- -- ---- --- - I

X дТ,

Т4з 41,

4h

Длительность информативного интервала времени, пропорционального среднему значению Uy за время полного цикла преобразования Т, может быть найдена как разность

ДТ

ИНф

4Тн - йТ

i

Uy Rl4

и„К.,,Вп,

Ц1

13144588

6; (E,43+R,-, +RiT J-eiH Ri4.

Uod Hj+Rn,) ;

X ( 4 T,, - Д Т,„ ) .

Видно, что погрешность преобразования за полный цикл определяется

только разностью результатов интег- рирования дрейфов ОУ интеграторов за информативный интервал времени л Т в нечетном и за Т - в четном полуциклах последнего п-го частного цикла преобразования. Указанная погрешность может быть уменьшена увеличением числа п частных циклов Т в течение полного цикла преобразования Т. Введение в устройство многокрйтнего повторения частных циклов Т ц; (фиг. За) практически означает реализацию в нем весовой функции (ВФ), вид которой показан на фиг. 3 б. Применение таких ВФ позволяет зффективно бороться не только с постоянным напряжением смешения, но и с собственными шумами элементов схемы. I .

Уменьшение влияния собственных

шумов элементов схемы иллюстрируется

графическими зависимостями на фиг. 4. Пунктирная линия соответствует амплитудно-частотной характеристике (АЧХ) преобразователя обычного двухтактного интегрирования, кривые 1 и

2 представляют собой АЧХ преобразователя, реализующего ВФ (фиг. 3 б), с числом частных циклов преобразования, равньгм четырем и восьми. С увеличением п числа частных циклов в течение

полного цикла прербразования Т площадь, ограниченная кривой, соответствующей АЧХ преобразователя, реализующего по отношению к собственным шумам названную вьш1е ВФ, значительно

уменьшается. Поскольку мощность шумов на выходе преобразователя пропорциональна квадрату данной площади, то значительно уменьшается и влияние шумов на результат преобразования.

По отношению к последнему сигналу в схеме реализуется обычная прямоугольная ВФ, т.е. ВФ, равная 1 на интервала Т полного цикла преобразования. Однако при реализации указанных ВФ в

реальных устройствах в каждом цикле преобразования присутствует погрешность квантования. При этом возможно накопление погрешности квантования

913

для исключения которой опорное на- пряЯсение отключают от входа интегратора 7 в момент прихода первого квантующего импульса после момента равенства нулю накапливаемого на интеграторе напряжения.

Преобразователь интервалов времени в код представляет собой обычный реверсивный счетчик необходимой емкости, который устанавливается в нуль в конце цикла преобразования тем же сигналом, который управляет работой ключа 20, на его счетный вход поступают пачки импульсов, соответствующих значениям информативных интервалов времени dT, и . С седьмого и шестого выходов устройства 11 управления поступают сигналы управляющие реверсом данного счетчика.

Формула изобретения

1. Интегрирующий аналого-цифровой преобразователь напряжения, содержащий два интегратора, неинвертирующий усилитель, два ключа, нуль-орган, генератор тактовых импульсов и устройство управления, первый вход которого соединен с выходом генератора тактовых импульсов, а второй - с выходом нуль-органа, первый вход первого интегратора является шиной опорного напряжения, выход первого интегратора соединен с входом неинвертирующего усилителя, выход которого через первый ключ соединен с вторым входом первого и первым входом информационным второго интеграторов, выход последнего соединен с первым входом нуль-органа, второй вход которого подключен к общей шине, управляющий вход первого ключа соединен с первым выходом устройства управления, второй выход которого соединен с управляющим входом второго ключа, выход которого подключен к второму информационному входу второго интегратора, отличающийся тем, что, с целью повьш1ения точности, в него введены дифференциальный усилитель, третий, четвертый ключи, преобразователь временных интервалов в код, первый и второй переключатели, первые входы которых объединены и являются щиной преобразуемого сигнала, вторые входы соединены с общей шиной, а выходы

810

подключены соответственно к первому и второму входам дифференциального усилителя, выход которого соединен с третьим входом первого интегратора,

при этом третий информационный вход второго интегратора через третий ключ соединен с щиной опорного напряжения, а через четвертый ключ - с общей щиной, управляющие входы третьего и четвертого ключей подключены соответственно к третьему и четвертому выходам устройства управления, пятый выход которого соединен с управляющими входами первого и второго переключателей, щестой и седьмой выходы устройства управления соединены соответственно с первым и вторым управляющими входами второго интегратора и первым и вторым входами преобразователя интервалов времени в код, третий вход которого соединен с восьмым выходом устройства управления, выход является выходной щиной, а четвертый вход подключен к второму

выходу устройства управления, информационный вход второго ключа соединен с выходом второго интегратора.

2.Преобразователь по п. , отличающийся тем, что второй интегратор выполнен на операционном усилителе, двух резисторах, двух к;гочах и двух конденсаторах, первые выводы которых объединены и соединены с инвертируюпщм входом операционного усилителя, который соединен с первыми вьшодами первого и второго резисторов, вторые выводы резисторов являются соответственно первым и третьим информационными входами интегратора, информационные входы ключей подключены к выходу операционного усилителя, являющегося выходом интегратора, выходы первого и второго ключа подключены соответственно к вторым выводам первого и второго конденсатора, инвертирующий вход операционного усилителя является вторым информационным входом интегратора, управляющие входы ключей являются соответственно первым и вторым управляющими входами интегратора, а неинвертирующий вход операционного усилителя соединен с общей шиной,

3.Преобразователь по п. , отличающийся тем, что устройство управления выполнено на первом, вторам, третьем делителях частоты, первом и втором формирователях

л1

импульсов, счетчике импульсов, RS- триггере, первом, втором, третьем и четвертом инверторах, первом, втором элементах ИЛИ, первом и втором элементах И, выход первого из которых является вторым выходом устройства управления, первым входом устройства управления являются вход первого делителя частоты и первый вход второго элемента И, выход которого является восьмым выходом устройства управлени выход первого делителя частоты соединен с входами первого инвертора, второго делителя частоты, первого формирователя импульсов и счетчика импульсов, выход которого, через второй инвертор соединен с первым входом первого элемента И, второй вход которого соединен с выходом третьего инвертора и является третьим выходом устройсфва управления, выход второго делителя частоты является пятым выходом устройства управления, выход

58

12

первого инвертора является первым выходом устройства управления и соединен с входом третьего делителя частоты и первым входом первого элемента ИЛИ, второй вход которого соединен с прямым вьгходом RS-триггера и объединен с вторым входом второго элемента И, выход третьего делителя частоты является шестым вьгходом устройства управления и через четвертый инвертор соединен с первым входом второго элемента ИЛИ, второй выход которого соединен с выходом первого элемента И, S-вход RS-триггера соединен с выходом первого формирователя импульсов, а R-вход через второй формирователь импульсов является вторым входом устройства управления, выход первого элемента ИЛИ соединен с входом третьего инвертора, выходы первого и второго элементов ИЛИ являются седьмым: и четвертым выходами устройства управления соответственно.

Изобретение относится к электроизмерительной технике и может быть использовано для создания высокоточных измерительных устройств или устройств, предназначенных для работы в тяжелых климатических условиях. Целью изобретения является повышение точности преобразования. Введение новых узлов - первого 1 и второго 2 переключателей, дифференциального усилителя 5, ключей 3, 4, 18 и 19, а также изменение алгоритма работы - воспроизведение многократного повторения частных циклов в течение полного цикла преобразования и нахождение результата преобразования за полньй цикл как суммы разностей интервалов времени в частных циклах, позволило значительно повысить точность. Введение третьего конденсатора позвол1гло разнести в пространстве процессы преобразования в четном ,и нечетном частных циклах. 2 з.п. ф-лы, 5 ил. а в (Л -% САЭ 4 сл ро.

cjjut.Z

Я

LIЬ

Фсл.З

51 6

Составитель В. Махнанов Редактор М. Дыльш Техред М.Ходанич Корректор И. Муска

2981

Тираж 901 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

сриг.5