Интегрирующий аналого-цифровой преобразователь Советский патент 1987 года по МПК H03M1/42 

113

Изобретение относится к электроизмерительной технике и может быть использовано для построения высокоточных средств измерения.

Цель изобретения - повышение точности.

На фиг. 1 приведена функциональная схема устройства;на фиг. 2 - временные диаграммы;на фиг. 3 -схема устройства управления; на фиг. 4 - временные диаграммы его работы; на фиг. 5 - преобразователь интервалов времени в код.

Устройство содержит интеграторы 1 и 2, неинвертирующий усилитель 3, нуль-орган 4, ключи 5,6 и 7, генератор 8 тактовых импульсов, устройство 9 управления, преобразователь 10 интервалов времени в код, резисторы 11-18, конденсатор 19.

Устройство управления содержит D-триггеры 20 и 21, RS-триггеры 22- 24, формирователи 25-28 импульсов, инвертор 29, счетчик 30 импульсов, элементы И 31-33, вькод последнего является четвертым выходом устройства управления, первый вход устрой- c fBa . управления соединен с D-входом D-триггера 20, к второму входу уст- ройства управления подключены С-вход D-триггера 20, третий вход устройства управления соединен с входом инвертора, 2.9, выходы RS-триггеров 23 и 24 инвертрра 29 и D-триггера 21 являются третьим, пятым, первым и вторым выходами устройства управления соответственно.

Преобразователь 10 интервалов времени в код (фиг. 5) содержит счетчики 34 и 35, дешифратор 36, формирователь 37 и регистр 38 выходного ко Да.

Работу преобразователя рассмотрим

начиная с момента t (фиг. 2 и 4 временные диаграммы), учитывая при этом что преобразуемое Uj и опорное U напряжения положительны. По аналогии с известным преобразователем на интервале t р; заканчивается процесс двухтактного интегрирующего преобразования вольт-секундной площади импульса, значение которой пропорционально среднему значению входного напряжения предьщущего (1-1)-го цикла преобразования. В момент t выходное напряжение интегратора 2 переходит нулевой уровень, при этом интервал лТ| представляет собой истинный результат, преобразования. Однако в том случае,когда резултаты преобразования должны суммироваться, необходима операция квантования информативных интервалов времени. Поэтому (1-1)-й информативный интервал заканчивается не в момент t, а в момент t, соответствующий появлению первого после момента t перехода выходным напряжением интегратора 2 нулевого уровня - импульса квантующей частоты. Интервал времени л t t . равный

А t

-1

If .

1 I

. ЛТ

Г и ;

1-1

И представляет собой абсолютную погрешность квантования (i-l)-ro информативного интервала времени.

В момент времени tj по сигналу с устройства управления замыкается ключ и на вход интегратора 2 наряду с опорным напряжением и, поступает выходное напряжение U{, нуль- органа 4 отрицательной полярности (фиг. 2, эпюра d), соответственно через резисторы 11 и 12. Выходное напряжение интегратора 2 на интервалену

ft , t J изменяется по закоUwiCt) R.iiC

(ut

19

tc,-.i

t-4)

(1)

где и - напряжение на выходе ключа 7 (за вычетом падения напряжения на сопротивлении замкнутого ключа, оно равно напряжению насыщения неинвертирующего усилителя) имеющее место в течение интервала времени длительностью t , .

В момент времени t нуль-орган 4 выходит из насыщения,в результате чего начинает действовать отрицательная обратная связь через открытий ключ 7 и резистор 12, охватывающая последовательно включенные интегратор 2 и неинвертирующий уси- литель,

По окончании переходного процесса, длящегося короткое время,на выходе ключа 7 устанавливается напряжение обратной связи

UoR

12

313А5

которое остается неизменным до окончания некоторого интервала времени 0р начало которого (левая граница) соответствует моменту замыкания ключа 7, а длительность задается заранее и кратна целому числу периодов Т| квантующей частоты, т.е. 6. тТ (в нашем случае m 2).

Начиная с момента t , на выходе ig интегратора 2 устанавливается напряжение

ии.Ш --

К

4 .

t tj.

С учетом большого значения коэффициента К можно полагать,что

Unjtp

О,

т.е., приравнивая вьфажение (1) нулю, найдем

п 4t, + -It;-,).

(4t.

5

0

1454

дит интегрирование опорного напряжения Up, поскольку полученный в результате этого импульс за короткое время отрабатывается з амкнутым контуром: интегратор 2 - неинвертирующий усилитель - замкнутый ключ 7 - резистор 13.

Вольт-секундная площадь импульса, полученного на выходе ключа 7,пропорциональна погрешности квантования и может быть использована для коррекции последней путем передачи этого импульса через резистор 14 на вь1ход интегратора 1,

Процесс преобразования, происходящий в устройстве с учетом влияния полученного на выходе ключа 7 импульса, идентичен процессу преобразования, имеющему место в известном устройстве, . выражение для i-ro результата преобразования

25

лт т 4- U,R,,R,, R,,R,, Тц

Rfs-Ri2

11 4

(jt. +ej + t,,..

где

/It

;-i з-ц.

tj - момент времени, в который

напряжение U (t) достигает нулевого уровня. Общая площадь сигнала на выходе ключа 7.

. и; 4t,.., + и : (б, - t;. )

.. RH (t

R.

.. -)в момент t размыкается ключ 7 и по прошествии одного периода Т квантующей частоты замыкается ключ 6, который остается замкнутым до момента tj, соответствующего началу нового цикла преобразования на интеграторе 2. Таким образом, в момент tj интегратор 2 находится в начальном состоянии (нулевое напряжение на выходе).

Разнесение по времени управляющих сигналов ключей 6 и 7 необходимо для предотвращения искажения формы импульса на выходе ключа 7, которое вызовет изменение его вольт-секундной площади. За это короткое время когда оба ключа разомкнуты ,происх6При надлежащем выборе сопротивлений R,j , R ,2 и Ri4 можно получить

R 15 RY, 1 „

R 11 R 14

1,тогда

35

лТ - Х И т - f л1- Т,- - ПК R Ц

и R..R,,

«) + 4t.

Функция преобразования устройства, значение суммарного интервала dT, равного сумме информативных интервалов л Т-, представляющих собой результаты преобразования в каждом из п частных циклов длительностью Т(, имеет вид

п

б +

АТ L.

У i

UxR TsR к

50

+ /ito+ dt ,.

где dt

jj - погрешность квантоваh

gg НИЯ последнего интервала времени из предыдущих п суммируемых отдельных результатов преобразования.

Анализ выражения показывает,что при суммировании п результатов отдельных преобразований за время пТ

10

общая погрешность квантования определяется лишь погрешностью квантования последних h-x информативных интервалов времени, т.е. в отличие от известного устройства в предлагаемом не происходит накопления погрешности квантования, максимальные значения которой составляет 21 и nTj для предлагаемого и известного устройств соответственно. Таким образом снижают влияние данной погрешности на результат преобразования (при суммировании п отдельных резуль- ig татов) в п/г раз..

При определении погрешности квантования не учитывалась постоянная добавка п 0 к суммарному результату преобразования, поскольку в случае необходимости она может быть просто исключена введением поправки.

Данную поправку наиболее целесообразно ввести на этапе преобразования суммы информативных интервалов времени в код. Устройством,осуществляющим такое преобразование, является двоичный счетчик с предустановкой (фиг. 5). На входы предуста13453456

В этом случае функция преобразования имеет вид

п

п е

пТц

л т.

41

и в зависимости от знака Uy суммарный интервал уменьшается или увеличивается относительно своего началь ного значения, равного

nil

20

Фор м у ла изобретения

25

1. Интегрирующий аналого-цифровой преобразователь, содержащий пер вый и второй интеграторы, усилитель, нуль-орган, первый и второй ключи, генератор тактовых импульсов, устройство управления, первьш и второй выходы которого подключены к управляющим входам первого и второго клю чей соответственно, первый вход перво

новки п, ,..., D ( счетчика 34 заранее подается код, соответствующий числу N - п 0JJ NJ.- п-т, -где п 0д- число импульсов квантующей частоты, которое определяет размер постоянной добавки, возникагацей при суммировании п отдельных результатов промежуточного преобразования, NJJ - емкость счетчика.

Счетчик 35 определяет количество п суммируемых отдельных результатов преобразования, которое задается подключением входа формирователя 37 к соответствующему п-му выходу дешифратора 36. Выходной сигнал формирователя обнуляет счетчик 34 и регистр 38 и предустанавливает счетчик 34 в состояние, соответствующее коду N(- - n-m на его выходе.Суммарный результат преобразования хранится в регистре 38.

Устройство обладает способностью преобразовывать напряжение Ux обеих полярностей. Для этого необходимо выбирать значения резисторов из соотношения

Т гр

Ц 4

п

п е

л т.

пТц

41

и в зависимости от знака Uy суммарный интервал уменьшается или увеличивается относительно своего начального значения, равного

nil

Фор м у ла изобретения

1. Интегрирующий аналого-цифровой преобразователь, содержащий первый и второй интеграторы, усилитель, нуль-орган, первый и второй ключи, генератор тактовых импульсов, устройство управления, первьш и второй выходы которого подключены к управляющим входам первого и второго ключей соответственно, первый вход первого интегратора является входной шиной, второй вход первого и первый вход второго интеграторов объединены и являются шиной опорного напряжения, выход первого интегратора соединен с неинвертирующим входом усилителя, выход которого через первый ключ соединен с третьим входом первого и вторым входом второго интеграторов, выход второго интегратора

соединен с первым входом нуль-органа, выход которого подключен к первому входу устройства управления и через второй ключ соединен с третьим входом второго интегратора, выход генератора тактовых импульсов соединен с вторым входом устройства управления, второй вход нуль-органа и инвертирующий вход усилителя подключены к общей шине, отличающий- с я тем,что, с целью повьшзения точности,в него введены преобразователь временных интервалов в код и третей ключ, информационный вход которого соединен с выходом нуль- органа, а выход - с четвертыми входами первого и второго интеграторов, второй вькод генератора тактовых импульсов соединен с третьим входом устройства управления, третий выход

которого соединен с управляющим входом третьего ключа, входы преобразователя интервалов времени в код соединен с четвертым и пятым выхода- ми устройства управления соответственно, а выходы являются выходной шиной.

2. Преобразователь по п. 1, о т- личающийся тем,что устрой- ство управления выполнено на первом и второмD-триггерах,инверторе,первом втором и третьем элементах И, первом втором, третьем и четвертом формирователях импульсов,счетчике импуль- сов и первом, втором и третьем RS- триггерах,причем D-вход первого D- триггера является первым входом устройства управления, С-вход - третьи входом устройства управления и объединен с первыми входами первого второго и третьего элементов И соответственно, а инверсный выход - с вторым входом первого элемента И и входом первого формирователя импуль сов, выход которого соединен с S- входом первого RS-триггера и R-BXO-,. дом второго RS-триггера, выход которого соединен с вторьм входом третьего элемента И и является пятым выходом устройства управления, выход первого элемента И подключен к счетному входу счетчика импульсов, выход которого через второй формирователь импульсов соединен с R-входом первого RS-триггера, прямой выход которого через третий формирователь импульсов соединен с R-входоМ третьего RS-триггера и является третьим выходом устройства управления,а ин- версный выход соединен с В-входом

второго D-триггера, С-вход которого соединен с выходом второго элемента И, а R-вход объединен с 8-входом второго RS-триггера и подключен к выходу четвертого формирователя импульсов, вход которого объединен с З-входрм третьего RS-триггера,является первым выходом устройства управления и подключен к выходу инвертора, вход которого является вторым входом устройства управления,инверсный выход третьего RS-триггера соединен с вторым входом второго элемента- И, выход второго D-триггера является вторым выходом устройства управления, выход третьего элемента И является четвертым выходом устройства управления.

3. Преобразователь по п, 1, отличающийся тем,что преобразователь интервалов времени в.код выполнен на двух счетчиках,дешифраторе, формирователе и регистре, выходы которого являются выходом блока,информационные входы соединены с выходами первого счетчика соответственно, вход сброса объединен с синхронизирующим входом и входом сброса первого счетчика,входом сброса второго счетчика и через формирователь подключен к выходу дешифратора, .входы которого подключены к выходам второго счетчика соответственно,счетный вход которого является вторым входом блока, первым входом которого является счетный вход первого счетчика, информационные входы которого соединены с шинами начальной установки кода.

IIL

fo tiztst ta -ts

/7 taig-tto /

trT I t I

Изобретение относится к области электроизмерительной техники и может быть использовано для создания высокоточных средств измерения. Целью изобретения является повышение точности преобразования. Введение в известное устройство третьего ключа 7, вход которого соединен с входом второго ключа 6, выходом- нуль- органа 4 и входом устройства 9 управления, а выход - с четвертыми входами первого 1 и второго 2 интеграторов, позволило значительно повысить точность преобразования за счет устранения накопления погрешности квантования. 2 з.п. ф-лы,5 ил. сл zj ОО 4 СП 00 4 СЛ фие.1

ff/n нуль- opeaHcf4

Устройство yfjpcf f t/

фигЗ

от ГГИ

Составитель В.Махнанов Редактор М.Недолуженко Техред И.Попович Корректор С.Черни

Заказ 4932/55 Тираж 899Подписное

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

ФигЛ

Фиаб