Аналого-цифровой преобразователь Советский патент 1987 года по МПК H03M1/00 

Изобретение относится к инфррма- , ционно-измерительной технике и может быть использовано в цифровых вольт-. метрах омметрах и комбинированных приборах.

Цель изобретения - повышение точности -и упрощение преобразователя.

На фиг.1 приведена функциональная схема устройства; на фиг.2 - .временные диаграммы работы устройства.

Устройство содержит источник 1 опорного напряжения, которьй через ключи 2,3, резисторы 4,5,6 и ключ 7

Здесь же номерами 33-56 обозначены моменты перекоммутации ключей 2, 3,7 и прямой линией обозначенной

f Ug - смещение нуля по напряжению у первого компаратора 10.

Алгоритм работы устройства задается счетчиками 19,20 и триггером 23. Счетчики 19,20 подсчитывают импульсы

10 с генератора 18. Триггер 23 определяет длительность цикла преобразования, управляясь импульсами с вькода счетчика 20 и элемента И 22,. на входы которого поступают импульсы со

соединен с АЦП входной шиной 8, общая 15 счетчика 20 и генератора 18. Триггер

точка резисторов через интегратор

9соединена с входами компараторов

10и 11, выход компаратора 10 соединен с вторым входом элемента И 12,

первый вход которого соединен с вто- 20 ДУт выделены импульсы определенной рым входом элемента И 13, вькод ком- длительностью. Фронты этих импульсов паратора 11 через элементы И 14 и 15, определяют моменты начала разряда счетчик 16 импульсов соединен с бло- интегратора (фиг.2, график 27). ком 17 индикации, выход элемента При соответствующем выборе коэф- И 14 соединен с управляющим входом 25 фициента деления счетчика 20 на его ключа 3, второй вход элемента И 15 выходе будут сформированы импульсы,

задающие момент окончания заряда

соединен с первым входом элемента И 12, второй вход счетчика 16 импульсов соединен с выходом элемента И 13,

интегратора 9 током, создаваемым измеряемым напряжением U,. Триггер 23

выход генератора 18 импульсов соеди- 30 формирует интервалы, определяющие

иен с соответствующими входами эле- ментов И 12 и 13 и входом счетчика .19 импульсов, выход счетчика 19 соединен t входом счетчика 20 импульсов и первым входом триггера 21, второй вход которого соединен с выходом элемента И 12, а выходы - с входами ключа 2 и элемента И 13, входы элемента И 22 соединены с выходами генератора 18, счетчика 20 и первым входом триггера 23, второй вход которого соединен с выходом элемента И 22-, выход триггера 23 соединен с управляющим входом ключа 7 и вторым входом элемента И 14.

На временных диаграммах, иллюстрирующих работу, устройства, изображены: на графике 24 - закон изменения проводимости ключа 7; 25 - закон изменения проводимости ключа 2j 26 - закон изменения проводимости ключа 3; 27 - закон изменения напряжения на выходе интегратораj 28 - закон заполнения счетчика 16j 29 - в увеличенном масштабе участок а графика 27, где 30 - закон изменения напряжения на выходе интегратора 9} 31 - напряжение смещения нуля компаратора 10; 32 - импульсы на выходе генератора 18.

Здесь же номерами 33-56 обозначены моменты перекоммутации ключей 2, 3,7 и прямой линией обозначенной

Ug - смещение нуля по напряжению у первого компаратора 10.

Алгоритм работы устройства задается счетчиками 19,20 и триггером 23. Счетчики 19,20 подсчитывают импульсы

с генератора 18. Триггер 23 определяет длительность цикла преобразования, управляясь импульсами с вькода счетчика 20 и элемента И 22,. на входы которого поступают импульсы со

23 .осуществляет управление ключом 7.

При выборе частоты генератора 8 и соответствунзщих коэффициентов деления счетчика 19 на его выходе буинтегратора 9 током, создаваемым измеряемым напряжением U,. Триггер 23

один измерительный цикл, состоящий из интегрирующего цикла 33-53 и цод- готовительного 53-57 цикла.

В интервале интегрирования сигна- 3g лом с выхода триггера 23 ключ 7 замкнут, в интервале подготовки - разомкнут (фиг.2 , график 24).

В начальный момент времени на вход интегратора 9 с входа 8 через замкнутый ключ 7 и резистор 6 подает- ся ток, величина которого при идеальном ключе определяется отношением измеряемого напряжения U к величине сопротивления резистора 6. Напряжение на выходе интегратора 9 начинает линейно нарастать (фиг.2, график 27). Приращение напряжения на выходе интегратора 9 за интервал времени 34- 33 составит

и.

п

PL

it

R,.C

о,

(1)

где лСд- элементарный интервал време- ни, равный периоду напряжения на выходе генератора 18, Пд- число элементарных интервалов в течение отрезка времени 34-33;

R.135ревеличина сопротивления зистора 6; С - величина емкости конденсатора в интеграторе 9. В момент времени 33 - через некоторый интервал после начала интегрирования ключ 2 замыкается и на вход интегратора 9 через ключ 2 и резистор 4 подается разряжающий ток от источника 2. Управление ключом 2 осуществляется триггером 21, получающим импульсы начала разряда, со счетчики 19. Закон изменения проводимости ключа 2 показан на графике 25 фиг.2.

Для упрощения рассмотрения примем, что величина тока разряда вдвое пре- вьпиает ток заряда с входа 8 при Ux, равном напряжению источника 1. . При этом условии

R. 0,5 R

6

(2)

где

4

величина сопротивления резистора 4.

Напряжение на выходе интегратора 9 линейно убывает. В момент, когда напряжение на выходе интегратора 9 станет равно смещению нуля компаратора 10, с его выхода на элемент И 12 поступает разрешающий сигнал, на первый вход элемента И 12 поступают импульсы с выхода генератора 18, имеющие период utj,. Фронт первого из этих импульсов, прошедший через элемент И 12, после появления разрешения на ее втором входе, опрокидывает триггер 21, размыкая ключ 2 и отключая разряжающий ток.. Таким образом устройство работает так, что интервал 33-35 фор- мируется из целого числа элементарных интервалов дЬ (см.график 27 фиг.2).

Соответственно изменение напряжения на выходе интегратора 9 в интервале 33-35 определяется выражением

35

и,

ito n,i ьСд п,г ,„. -г; п г. ,-. -

RjC

где п, - количество элементарных интервалов времени тервале ,33-36,

ЛЬ„ в инВ дальнейшем до окончания интегри- рования устройство работает аналогично, но с тем лишь отличием, что разряды начинаются замыканием ключа 2 в нечетные моменты 35-33.

646

Изменения напряжения на вьосоде интегратора в интервалах.когда ключ 2 разомкнут, определяются выражением

-

- uto Пгт-г:,2т-

-и, --.- (4)

где m - целое число, соответствующее условно 2emfe11. Изменение напряжения на выходе интегратора в интервалах, когда ключ 2 замкнут, определяется вьфажением

kiT -rr,t: Blcii-iiJlni. п AJE2.H... .,2n,r R г R.C

b. т

(5)

где m - целое число соответствующее

условию .

В момент времени 53 третий ключ 7 размыкается, отключая напряжение U) и замыкаются ключи 2,3. Замыкание ключа 3 производится элементом И 14 по поступающему на нее разрешающему сигналу с выхода триггера 23. Закон изменения проводимости второго ключа 3 показан на графике 26 фиг.2.

На вход интегратора 9 в интервале 53-56 поступают два тока от источника 1:через ключ 2 и резистор 4, а также через ключ 3 и резистор 5. .Напряжение на выходе интегратора 9 линейно убьшает до момента 56, определяемого аналогично вьшхеописанному. Изменение напряжения на выходе интегратора в промежутке времени 53-56 составит

ли

53,56

- 1Т о 5. 56

V- -f p(6)

После размыкания ключа 2 в момент 56 напряжение на выходе интегратора 9 продолжает линейно убывать. Ско- рость его изменения определяется раз- рядным током от источника 1 через резистор 5.

В рассматриваемом случае примем, что

Rj 100 R

(7)

и

в интервале 56-55 будет действовать

и.

разрядный ток - QQ-g-

При переходе напряжения на выходе интегратора 9 через нуль в момент 55

с вьрсода компаратора 11 на элемент И 14 поступает сигнал, изменяющий ее состояние вследствие чего ключ 3 . размьпсается.

Изменение напряжения на выходе интегратора 9 в интервале 56-55 равно:

TI iiUleiS...

R-C

(8)

Полное изменение напряжения на выходе интегратора 9 за весь промежуток 34-35 равно нулю, поэтому сумми- руя (4), (5), (6) и (8) получим:

1т- TI а. Sj± 4. TI ta. -

(iiO

y П i blL i D-l. tJ n-J+y n ol lй;lЙ - -- x R. R f

(i

mri

R,C

mt2

0 4to nim-ij jjj,.

kr .

„iiTUtjj ns3. °

0

(9)

Из последнего выражения, учитывая. (2) и (7), получим

ц11

5 N, -5 -Цпа.-гт «,,« 111

где N - число элементарных интервалов времени, входящих в интервал интегрирования U, П-.1.

Числа .

и п

73

определяют соответственно старпше и младшие разряды полученного результата измерения. Для получения выходного кода в виде десятичного числа а-10 при равенстве или кратности номинального значения Ux с Uj,, необходимо выбирать N и Ug в виде чисел р ai хЮ.

Г :; . -

в устройстве импульсы, несущие информацию о величинах старших и младших разрядов формируются на выходах элементов 13 и 15, на входа которых поступают импульсы с выхода генератора 18. Прохождение этих импульсов в интервалах 33...56 через элемент И 13 разрешается триггером 21. При этом происходит заполнение старших декад счетчика 16 в соответствии с графиком 28 на фиг.2. Элемент И 14

0

5

0

25

30

35

40

45

50

55

разрешает прохождение тех же импульсов через элемент И 15 в интервале 53-55 в младшие разряды счетч;ика 16.

8момент 55 счетчик 16 закончит подсчет импульсов и в нем будет сформирован код, соответствующий выражению (Ю). Найденное значение измеряемой величины передается на блок 17, индикатор 17. В интервале 55-57 до начала с момента 57 следующего измерения, когда все ключи 2,3 и 7 разомкнуты, производится установление нулевых начальных условий интегратора 9, коррекция нулей, входящих в устройство операционных усилителей.

Коррекция в интервале 55-57, производится путем замыкания выхода компаратора 11 с входом интегратора

9через ключ и аналоговое запоминающее устройство (не показаны). Замыкание ключа коррекции образует контур отрицательной обратной связи, действие которой проводит к установлению начальных условий интегратора, создает на аналоговом запоминающем устройстве напряжение, достаточное для установления нулей операционных усилителей интегратора и второго компаратора. При проведении измерений, ключ коррекции разомкнут, а аналоговое запоминающее устройство сохраняет напряжение, обеспечивающее компенсацию смещений нулей операционных усилителей интегратора и второго, компаратора.

Точность- повьш1ается, так как исключаются погрешности, возникающие при включении разрядного тока, исключаются погрешности прибора в зависимости от амплитуды измеряемого напряжения и от помех питающей сети.

Формула изобретения

Аналого-цифровой преобразователь, содержащий три ключа, выходы которых через соответствующие первый, второй и третий токоогранич вающие элементы, выполненные на резисторах, соединены с входом интегратора, вход первого является входной шиной, вход второго ключа соединен с выходом источника опорного напряжения, выход интегратора соединен с первым входом первого компаратора, второй вход которого является общей тиной, первый элемент И, выход которого соединен с первым входом первоГ. о

ГО счетчика импульсов, генератор импульсов, выход которого соединен с входом второго счетчика импульсов, третий счетчик импульсов, второй, третий, четвертый и пятый элементы И,первый.и второй триггеры, отличающийся тем, что, с целью ловьшения точности и упрощения преобразователя,, введены второй компаратор и блок индикации,, входы которого соединены с соответствующими выходами первого счетчика импульсов второй вход которого соединен с выходом третьего элемента И, первый вход которого соединен с первым выходом первого триггера, второй вход объединен с первым входом первого элемента И, входом второго счетчика импульсов, первыми входами четвертого и пятого элементов И, второй вхо которого объединен с первым входом второго триггера и соединен с выхо- дом третьего счетчика импульсов, вы0

ход пятого элемента И соедилен с вто- рьм входом второго триггера, выход которого объединен с управляющим входом первого ключа и первым входом второго элемента И, выход которого соединен с управляющим входом второго ключа и вторым входом первого элемента И, управляющий вход третьего ключа соединен с вторым выходом первого триггера, вход третьего ключа соединен с выходом источника опорного напряжения, причем первый вход первого триггера объединен с входом третьего счетчика импульсов и соединен с выходом второго счетчика-импульсов, второй вход первого триггера соединен с вькодом четвертого элемента И,- второй вход которого соединен с выходом второго компаратора, первый вход которого соединен с выходом интегратора, а второй вход является шиной напряжения смещения, выход первого компаратора соединен с вторым входом второ- 5 го элемента И.

5

0

L.

IХх I

.i JL l Ji-L.

. дгat

uI

фи92

Редактор М. Товтин

Составитель А. Титов Техред, Л.Сердюкова

Заказ 5576/56 Тираж 900Подписное

ВНШШИ Государственного комитета СССР

по делам изобретений и открытий 113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Производственно-полиграфическое предприятие, 1г. Ужгород, ул. Проектная, 4

Корректор В.Гирняк

Изобретение относится к информационной измерительной технике и может быть использовано в цифровых вольтметрах, омметрах и комбинированных приборах. Изобретение позволяет повысить точность и упростить преобразователь. Это достигается тем, что в преобразователь, содержащий ключи 2,3,7, резисторы 4,5,6, интегратор 9, источник 1 опорного напряжения, элементы И 14,15,12,13,22, счетчики импульсов 16,19,20, триггеры 21,23, компаратор 11, введены компаратор 10 и блок индикации 17. 2 ил. СЛ С фие.1