Комбинированный аналого-циффровой преобразователь Советский патент 1987 года по МПК H03M1/46 

IF

20

25

1 1363468

Изобретение относится к вычисли- , тельной технике и автоматике и может быть использовано в цифровых системах автоматического управления дина- -g мическими объектами, в частности газотурбинными двигателями, для преобразования сигналов датчиков рабочих параметров в цифровой код.

Цель изобретения - повышение поме- 10 хоустойчивости.

На фиг.1 приведена структурная схема комбинированного аналого-цифрового преобразователя (АЦП); на фиг . 2 - схема блока вьщеления помехи (ВВП) и формирователя импульсов; на фиг.З - схема блока индикации неисправности (ВИН); на фиг.4 - временные диаграммы работы предлагаемого устройства.

КомбинированКьй АЦП содержит блок 1 сравнения, первьй триггер 2, ре-.-, гистр 3 последовательных приближений (РШ), реверсивньй счетчик 4, цифро- аналоговьш преобразователь (ЦАП) 5, генератор 6 импульсов, ВВП 7, формирователь 8 импульсов, коммутатора 9, элемент 10 задержки, второй триггер 11, ВИН 12, входную шину 13, шину 14 ; запуска, шину 15 неисправности и выходную шину 16.

ВВП 7 может быть реализован (фиг.2) на основе полосового фильтра путем каскадного соединения фильтров низкой (на усилителе 17) и высокой (на усилителе 18) частоты. Такая реализация полосового фильтра позволяет в полосе пропускания получить участок, именяций плоскую фазочастотную характеристику (ФЧХ), причем на квазирезонансной частоте имеет место нулевой сдвиг. Полосовой фильтр настраивают таким образом, чтобы наиболее интенсивная, доминирующая помеха приходилась на плоский участок ФЧХ. Квазирезонансная частота полосового фильтра должна быть выбрана несколько большей, чем частота доминирующей помехи. При этом фазовьй сдвиг полосового фильтра, будучи близким к нулю, имеет положи- тельньй знак, что позволяет компенсировать запаздывание, вносимое последующими блоками. Доминирующими пометм м

30 к

35 з

40 п

45

50

хами,, оказьтающими наибольшее влияние на точность преобразования АЦП в системах цифрового управления, являются в большинстве случаев наводки от питающей сети переменного тока с частотами 50 Гц в промьшленных установках и 400 или 1000 Гц в .бортовых

системах управления летательных аппаратов.

Вьщеленная помеха из ВВП 7 поступает на вход формирователя 8 импульсов, состоящего из триггера Шмитта

F

0

25

-g

0

19, дифференцируюшей цепи 20, ключей на транзисторах 21 и 22, инвертора 23, элемента ИЛИ-НЕ 24 и одновибра- тора 25, Триггер Шмитта формирует из отфильтрованного сигнала помехи прямоугольные импульсы с крутыми фронтами. Величина гистерезиса выбирается не более одного кванта АЦП, что обеспечивает помехоустойчивость при определении момента пересечения помехой нулевого уровня при незначительном снижении точности. Дифференцирующая цепь выделяет фронты импульсов триггера .Шмитта, а ключи формируют короткие импульсы в виде О, необходимые для запуска одновибратора. Одновибра- тор вьфабатывает нормированные по длительности и амплитуде импульсы, необходимые для тактировки АЦП после переключения в режим синхронизации от помехи.

БИН 12 (фиг.З) содержит элемент 26 задержки, вход которого подключен

0 к первому входу БИН 12, а выход - к его выходу. ВИН 12 в общем случае может содержать несколько выходов., сигналы которых составляют линии шины 15 слова состояния. .В схеме реали35 зации ВИН 12 на фиг.З предлагаемого комбинированного АДП шина неисправности АТЩ состоит из трех линий, которым соответствуют следующие сигналы. Сигнал первой линии есть сигнал конца

40 поразрядного уравновешивания (КПУ). Сигнал второй линии (КПУ t) есть сигнал КПУ, задержанньй на время I с помощью элемента 26 задержки. Сигнал третьей линии шины неисправности (КПпом) есть сигнал конца преобразо-ч вания по помехе, т.е. сигнал переключения тактировки от помехи,

Устройство работает следующим образом.

После прихода импульса запуска по шине 14 запуска РПП 3 устанавливается в начальное положение. При этом на втором выходе РПП 3 устанавливается сигнал О, которьй по третьему входу

gg переводит реверсивньй счетчик 4 в ре- хшм записи параллельного кода с первого выхода РПП 3. Одновременно запускающий импульс устанавливает второй триггер 11 в нулевое состояние,

45

50

1363468

по которому коммутатор 9 подключает i- к тактовым входам РПП 3 и реверсивного счетчика 4 выход генератора 6 импульсов. С приходом первого после запуска тактового импульса с выхода генератора 6 импульсов Р1Ш 3 начинает вьтолнять алгоритм поразрядного уравновешивания. Цифровой код поразрядного уравновешивания формируется на ю первом выходе РПП 3 и транслируется через реверсивный счетчик 4 на вход ЦАП 5, которьй вырабатьюает компенсирующий сигнал обратной связи И, (фиг.4а), сравниваемьш блоком 1 срав- is нения С входным сигналом. Сигналы блока 1 сравнения фиксируются по фронту тактовых импульсов в первом триггере 2 и переписьшаются в РПП 3 с. задержкой, определяемой элементом 10 20 задержки и необходимой для завершения переходных процессов в первом триггере 2. После окончания поразрядного уравновешивания на первом выходе РПП 3 устанавливается полноразрядный код 25 преобразования, а на втором выходе появляется сигнал 1 (момент t на фиг,4д), по которому реверсивньш - i

счетчик 4 переключается в режим счета, начиная с кода поразрядного урав- зо новешивания. Начинается режим следящего уравновешивания с тактовой частотой, определяемой генератором 6 импульсов (фиг.4а). В момент t происходит первое после окончания поразрядного уравновешивания пересечение помехой нулевого уровня (фиг.4б). При этом формирователь 8 импульсов вьгра- батьшает импульс, по фронту которого сигнал 1 (сигнал конца поразрядного уравновешивания),, с первого входа второго триггера 11 пёреписьшается на его выход. Сигнал 1 с выхода второго триггера 11 переключает коммутатор 9 в положение, при котором на его выход передаются импульсы формирователя 8 импульсов.

Таким образом, с момента t/i тактовая частота преобразователя равна удвоенной частоте доминирующей помехи, вьщеленной в ВВП 7 (фиг.4г). Известно, что при дискретизации сигналов с частотой F, спектр выходного дискретизированного сигнала не содержит гармоническую составляющую входного сигнала с частотой F/2 и все

40

50

55

з л т н к ч е н

н н

г

к и т и в с н в л

н 35 п в м п п з н в п а ч

45

гармоники с частотами F ( + К), где , 1,2.,. . Это свойство дискретизированных сигналов позволяет в предлагаемом АЦП полностью подавить детерминированную помеху, на которую настроен полосовой фильтр ВВП 7, так как тактовая частота равна удвоенной частоте этой помехи, т.е. коэффициент передачи АЦП для частоты выделенной помехи равен нулю.

С другой стороны, в режиме слежения АЦП динамически подобен фильтру низких частот с частотой среза, определяемой тактдвой частотой

W а f

где q - квант АЦП;

- максимальное значение входного сигнала.

Поэтому при переключении с высокой тактовой частоты генератора 6 импульсов на тактирование от достаточно низкочастотной сетевой помехи имеет место сужение полосы пропускания АЦП. Это приводит к повышению фильтрующих свойств преобразователя в следящем режиме для всех помех, спектр которьк лежит выше частоты доминирующей помехи, причем няя в идеальном случае (при отсутствии фазового сдвига) полностью подавляется.

Следует отметить, что температурная и временная нестабильность коэффициента передачи и фазового сдвига полосового фильтра ВВП 7 оказывает весьма незначительное влияние на точность определения момента перехода помехи через нуль. Это обусловлено тем, что погрешность определения момента перехода помехи через нуль практически не зависит от коэффициента передачи фильтра при достаточной амплитуде сигнала на выходе фильтра, а определяется лишь нестабильностью фазового сдвига. Однако так как частота помехи располагается на плоском участке ФЧХ полосового фи.17ьтрауто вариации фазового сдвига незначительны. Наоборот, в тех АЦП, у которых для повышения помехоустойчивости используется ФНЧ, включаемый непосредственно на входе, имеет место значительное влияние нестабильности коэффициента передачи на точность преобразования, а инерционности фильтра - на динамическую погрешность.

Для предлагаемого комбинированного АЦП максимальное время преобразования, определяемое от момента запуска до момента получения отфильтрованного от помехи выходного кода, равно

и отсутствие помехи на входе, так как задержанньй на время С сигнал имеет место, а сигнал помеху,

половине периода помехи (без синхро- -g устанавливающий КПпом, не появился, низации запуска по помехе). Это более т.е. равен 0. Аналогичным образом чем в два раза меньше по сравнению с можно провести анализ других комбина- АЦП двухтактного интегрирования. ций сигналов слова состояния АЦП.

Комбинированньй АЦП характеризует- По сравнению с известным предла- ся широкими функциональными возможно-10 гаёмый комбинированный АЦП благодаря стями и предоставляет потребителю циф- введению ВВП, формирователя импуль- . ровых кодовпреобразования информацию о состоянии АЦП в текущий момент времени, характеристиках входной помехи

и степени достоверности цифрового 15 слова состояния имеет более высокую кода в процессе преобразования. Такую помехоустойчивость и более широкие информацию потребитель получает из совокупности сигналов, вырабатьшаемых ВИН 12.

сов, коммутатора, элемента задержки, второго триггера, блока формирования слова состояния, шины запуска и шины

функциональные возможности. Повышение помехоустойчивости комбинированного АЦП достигается за счет отслеживания

Минимальньй состав линий шины не- 20 входного сигнала при тактировании выисправности, при котором имеет место значительное расширение функциональных возможностей предлагаемого АЦП, равен трем линиям, содержащим сигналы

КПУ, КПпом и КПУ 1 . Последний сигнал 25 из сигнала помехи в моменты перехода

попехи через нуль. При этом имеет место сужение полосы пропускания следящего АЦП, что позволяет фильтровать равной . ср/2+h) , где Т J-P помехи всех видов, начиная с частоты среднее значение периода помехи; h - 30 сетевой помехи. Сама сетевая помеха

прогнозирует момент получения достоверного кода в случае, отсутствия помехи, для чего задержка выбирается

максимальное возможное приращение периода помехи.

Появление сигнала КПУ означает, что в течение ож вдаемого интервала С не произошло переключения на такти- ровку от помехи, поэтому можно считать, что помеха практически отсутствует и, кроме того, что процесс получения точного кода завершен. Таким образом, потребитель может по своему выбору использовать либо один из этих сигналов при считывании кода АЦП, либо анализировать полное трех разрядное слово состояния АЦП, данщее

автоматически попадает в такую точку амплитудно-частотной характеристики АЦП, для которой модуль частотной характеристики следящего АЦП равен 2с нулю, поэтому предлагаемьш АЦП обладает свойством адаптации к помехам, спектр которых лежит в рабочем диапазоне частот -блока выделения помехи.

40 Формула изобретения

Комбинированньй аналого-цифровой преобразователь, содержащий блок сравнения, первый вход которого явля- восемь различных комбинаций, которые . 45 тся входной шиной, второй вход сое- приведены в таблице. Рассмотрим неко- динен с выходом цифроаналогового пре- торые конкретные значения слова состояния. Словам состояния 001, 010,

011, как видно из таблицы, соответстобразователя, а выход подключен к i. i первому входу первого триггера, выход которого соединен с информацион- вует неисправное состояние АЦП. Это 50 входом регистра последовательных обусловлено нарушением причинно-след- приближений и управлякяц№1 входом ре- ственных связей между последовательностью появления сигналов КПУ, КПУ С и КПпом в приведенных комбинациях

версивного счетчика, информационные входы которого соединены с информационными выходами регистра последоваслова состояния, в частности 1 в gg тельных приближений соответственно.

линиях КПУ и КПпом не может появиться раньше, чем 1 на выходе КПУ. Значению слова 110 соответствуют исправное состояние устройства ()

счетный вход которого объединен со счетным входом реверсивного счетчика выходы которого являются выходной ши ной и соединены с соответствующими

и отсутствие помехи на входе, так как задержанньй на время С сигнал имеет место, а сигнал помеху,

устанавливающий КПпом, не появился, т.е. равен 0. Аналогичным образом можно провести анализ других комбина- ций сигналов слова состояния АЦП.

По сравнению с известным предла- гаёмый комбинированный АЦП благодаря введению ВВП, формирователя импуль- .

сов, коммутатора, элемента задержки, второго триггера, блока формирования слова состояния, шины запуска и шины

слова состояния имеет более высокую помехоустойчивость и более широкие

функциональные возможности. Повышение помехоустойчивости комбинированного АЦП достигается за счет отслеживания

сокой тактовой частотой до момента пересечения помехой нулевого уровня и переключения в этот момент на так- тировку от импульсов, сформированных

автоматически попадает в такую точку амплитудно-частотной характеристики АЦП, для которой модуль частотной характеристики следящего АЦП равен 2с нулю, поэтому предлагаемьш АЦП обладает свойством адаптации к помехам, спектр которых лежит в рабочем диапазоне частот -блока выделения помехи.

40 Формула изобретения

образователя, а выход подключен к i. i первому входу первого триггера, выход которого соединен с информацион- входом регистра последовательных приближений и управлякяц№1 входом ре-

версивного счетчика, информационные входы которого соединены с информационными выходами регистра последовательных приближений соответственно.

счетный вход которого объединен со счетным входом реверсивного счетчика, выходы которого являются выходной шиной и соединены с соответствующими

входами цифроаналогового преобразователя, генератор импульсов, отличающийся тем, что, с целью повышения помехоустойчивости, в него введены блок выделения помехи, формирователь импульсов, коммутатор, элемент задержки, второй триггер и блок индикации неисправности, первый вход объединен с входом разрешения записи реверсивного счетчика и первым входом второго триггера и подключен к выходу Конец преобразования регистра пос- ледовательных приближений, вход запуска которого является шиной запуска и соединен с вторым входом второго триггера, третий вход которого объеНеготово, идет преобразование

О 1 1 О

1 О 1 О

НеисправноНеисправноНеисправноУзлы, pea-Да лизующие ПУ, исправны

О

Исправно Да Помеха с-ам- Высокая

штитудой- 1 кванта в полосе пропускания фильтра

Исправно Да Помеха мала Высокая

либо отсутствует

Да Помеха с ам- Высокая

плитудой ff 1 кванта в полосе пропускания фильтра

динен с первым информационным входом коммутатора и подключен к выходу формирователя импульсов, вход которого соединен с выходом блока вьщеления ; помехи, вход которого является, входной шиной, а выход второго триггера подключен к управлякицему входу коммутатора и второму входу блока индикации неисправности, второй информационный вход коммутатора объединен с вторым входом первого триггера и соединен с выходом генератора импульсов, а выход через элемент задержки подключен к счетному входу ре- гистра последовательных приближений.

Нет

Низкая

IPuiJ

Изобретение относится к вычислительной технике, в частности к комбиi нированным аналого-цифровь1м преобразователям, и может быть использовано для преобразования напряжения посто- янного тока в цифровой код. Целью изобретения является повышение, помехоустойчивости путем перехода в режиме слежения на тактирование реверсивного счетчика импульсами, формируемыми из сигнала помехи,, и формирования слова состояния АЦП, содержащего информацию об исправности преобразева- теля, уровне выходной помехи, состоянии преобразователя в данный момент времени. Поставленная цель достигается введением в преобразователь блока выделения помехи, формирователя импульсов, коммутатора, второго тригге- о ра, элемента задержки, блока индикации неисправности. 4 шт., 1 табл. S (Л САЭ Oi 00 4 Р5 00

Вход

A-.

J I-

HF

П

Фие.З

Редактор А.Огар

Составитель В.Махнанов

Техред М.Дидык Корректор В.Гирняк

Заказ 6379/53 Тираж 900Подписное

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, А

ь ь