Аналого-цифровой преобразователь Советский патент 1988 года по МПК H03M1/56 

(Л

СО 00 00

со

00

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения сопротивлений или их отношений, а также физических величин, преобра зуемых в электрические напряже1шя с помощью датчиков сопротивлений. Изобретение позволяет повысить помехоустойчивость, точ- . ность. Это достигается тем, что в устройство, содержащее датчик 3 сигнала, интегратор 8, компаратор 9, преобразователь 10 временного интервала в код, регистр 11, накопительный элемент 12, выполненный на конденсаторе, блок управления, выполненный на распределителе 1 импульсов, введены формирователь 2 переменного напряг жения, два накопительных элемента 13, 14, вьшолненных на конденсаторах, интегратор 5, блоки 6, 7 фиксации сигнала. 3 з.п. ф-лы, 5 ил.

(i/e.f

1-

Изобретение относится к измери- тельной технике и может быть исполь - Эовано для измерения сопротивлений Или их отношений, а также физических величин, преобразуемых в электричес кие напряжения с помощью датчиков сопротивлений.

Целью изобретения является повыше йие помехоустойчивости, точности. ; На фиг.1 показана функциональная ixeMa устройства; на фиг,2 и 3 - временные диаграммы работы преобразова теля при питании датчика соответст- енно прямоугольным и гармоническим НапряжениямиI на фиг.4 примеры вы - Аолнения схемы формирователя перемен Його напряжения; на фиг.5 времен - Йые диаграммы напряжений на входах и

Йьпсодах формирователя переменного на- 20 связан с выходом счетчика и реги- Пряжения.

Устройство (фиг.1) содержит блок управления, выполненными на распредв Жителе 1 импульсов, формирователь 2 1|1еременного напряжения, датчик 3 сиг- 25 регистра соединен с соответствующим

стра, информационный вход которого связан с выходом ПЗУ, а вход синхро - низации с выходом генератора тактовых импульсов. Выход каждого разряда

йалов, аналоговый ком1чутатор 4, 1)ой интегратор 5, блоки 6 и 7 фикса- сигнала, первый интегратор 8, ijioMnapaTOp 9, преобразователь 10 вре 1 енного интервала в код,, регистр П, 1|сакопительные элементы , выпол енные на конденсаторах, блоки 6 и 7 (|1одержат входы 15 и 6, ключи 1720, Конденсаторы 21 и 22. Сочетание ключа 7(18) с конденсатором 21(22) образу- 4т элементарный блок фиксации сигна jjia.

Интегратор 8 содержит усилитель 23, конденсатор 24, резисторы 25 и 2б, повторитель 27 напряд сения.

Интегратор 5 устроен аналогично интегратору 8, но.не содержит повто - рителя напряжения, преобразователь 1C содержит элемент И и счетчик импуль - .cloB. Компаратор 9 имеет на выходе Триггер.

Формирователь 2 переменного напря-гйения питания датчика 3 содержит по фиг,1 трансформатор 28, транзисто ры 29, резисторы 30, источник 31 по стоянного напряжения, инвертор 32. Формирователь 2 по фиг.4 содержит трансформатор 33, кточн, состоящие из диодов 34, транзис1хэров 35, источ- иМк 36 постоянного напряжения, резис торы 37.

Датчик 3 по фиг. 1 содержит резис торы 38.

87

2

Датчик 3 по фиг.4 содержит вход- ные электроды 39, опор.ные электроды 40, нулевой электрод 4 и выходной электрод 42. Опорные электроды 40 соединяются через блок 43 согласова- ния -(трансформатор или парафазный усилитель) с входом второго фиксатора сигнала. Блок .43 согласования служит , для преобразования парафазного сиг- нала датчика в однофазный сигнал, а также для предварительного усиления сигнала. Распределителем 1 может слу жить устройство микропрограммного уп- равления, состоящее из генератора тактовых импульсов, счетчика, вход которого соединен с выходом генера тора, постоянного запоминающего ройства (ПЗУ), адресный вход которо

связан с выходом счетчика и реги-

регистра соединен с соответствующим

стра, информационный вход которого связан с выходом ПЗУ, а вход синхро - низации с выходом генератора тактовых импульсов. Выход каждого разряда

0

5

0

к

5

0

выходом выходной шины распределите- ля 1. Последовательность сигналов на каждом выводе зтой шины определяет- ся программой, хранящейся в ПЗУ.

На временных диаграммах фиг.2 обо значены напряжения: 44 на входе формирователя 2, на управляющих вхо- дах ключей 19 и 20 в блоках 6 и 7 и на выходе преобразователя 10; 45 - на зтравляющем входе аналогового ком- мутатора 4; 46 - на управляющем вхо- де ключа 17 в блоках 6 и 7; 47 - на управляющем входе ключа 18 в блоках 6 и 7; 48 на первом выходе датчика 3; 49 - на выходе аналогового коммутатора 4; 50 - на выходе интеграто- ра 5; 51 на выходе блока 6; 52 - на втором выходе датчика 3; 53 - на выходе блока 7; 54 - на выходе интег - ратора 8; 55 - на выходе компаратора 9.

На временных диаграммах фиг.З обозначены напряжения; 56 - на входе формирователя 2; 57 - на управляющих входах ключей 19 и 20 блоков 6 и 7 и на входе преобразователя 10; 58 - на управляющем входе ключа 17 в блоке 6; 59 - на управляющем входе ключа 18 в блоке 6; 60 - на управляющем входе ключа 17 в блоке 7; 61 - на управляющем входе ключа 18 в блоке 7; 62 - на первом выходе датчика 3 и входе интегратора 5; 63 - на выходе интегратора 5; 64 - на выходе бло

ка 6; 65 на втором выходе датчика 3; 66 - на выходе блока 7; 67 - на выходе интегратора 8.

На временньк диаграммах фиг.4 обозначены напряжения: 68 на выходе трансформатора 33; 69 - 72 на базах транзисторов 35; 73-76 на ба зах транзисторов 35.

Устройство (фиг.О работает еле- дующим образом.

Прямоугольные колебания 44 типа меандр поступают из распределителя 1 импульсов на вход формирователя 2. На вФоричной обмотке трансформатора 28 формируются прямоугольные колебания, не привязанные к нулевому потенциалу. Эти колебания поступают на последовательно соединенные резисторы 38 датчика 3, общая точка кото- рых заземлена. Напряжение 48 со вто- рого выхода датчика, имеющее вид колебаний, фаза которых совпадает с фазой колебаний 44, поступает на аналоговый коммутатор 4, на управляющий вход которого подаются импульсы 45, отключающие вход интегратора 5 от первого выхода датчика 3 и подключающие, его через конденсатор 14 к зекр ле, в моменты фронтов и спадов колебаний 48. Поэтому входное напряжение 49 интегратора 5 интегрируется в промежутках между импульсами 45, а во время действия этих импульсов результат интегрирования фиксируется и запоминается блоком 6, причем на конденсаторе 21 блока 6 запоминается положительный, а на конденсаторе 22 отрицательный уровни горизонтальных y iacTKOB выходного напряжения 50 интегратора 5. Эти уровни передаются на конденсаторы 21 и 22 через ключи 17 и 18 блока 6 по управляющим им- . пульсам 46 и 47. На управляющие входы, ключей 19 и 20 подаются колебания 44, причем на ключ 19 - с инверсией. Поэтому на выход блока 6 напряжение, с конденсаторов 21 и 22 передается в те полупериоды, когда эти конденсаторы отключены ключами 17 и 18 от интегратора 5. Это исключает влияние переходных процессов при коммутации ключей 17 и 18 на уровни выходного напряжения 51 блока 6.

Напряжение 52 на втором выходе датчика 3 находится в противофазе с напряжением 48. Раздельная фиксация его.положительного и отрицательного уровней и их передача на вход интег-

0

П 5 0

5

0

5

0

5

ратора 8 осуществляется блоком 7, работающим с точностью до полярности напряжений на запоминающих конденсаторах аналогично блоку 6. Прямоугольные колебания 53, формируемые на выходе блока 7, преобразуются интегратором 8 в треугольные колебания 54, которые сравниваются компаратором 9 с колебаниями 51. В результате на выходе компаратора 9 формируются колебания 55, поступающие в преобразователь 10, преобразующий временной интервал, соответствующий сдвигу фазы колебаний 55 относительно опорных колебаний 44, в цифровой код, который затем передается в регистр 11. Этот фазовый сдвиг однозначно определяется отношением амплитуд напряжений 51 и 54, т.е. отношением напряжений 48 и 52, а значит и отношением сопротивлений резисторов 38 датчика 3.

Процесс продвижения сигналов в устройстве показан на фиг.2 сплошными пунктирными стрелками для различных полупериодов выходного сигнала датчика 3. Интегратор 5 вносит дополнительную задержку в полпериода, в результате чего компаратором 9 сравниваются уровни сигналов 51 и 54, определяемые уровнями сигналов 48 и 52 датчика 3 в разные (соседние) полупериоды: колебания 51 отстают на полпе- риода от колебаний 54. При медленном (по сравнению с периодом колебаний 44) изменении сопротивлений резисторов 38 или амплитуды ВЫХОДНОГО напряжения формирователя 2 это не влияет на результаты измерений. Однако наличие синфазной помехи на обоих выходах датчика 3 с частотой, равной или близкой к частоте опорных колебаний ,44, может вызвать ошибку измерения, так сдвиг в полпериода, вносимь1Й интегратором 5, приводит к тому, что на первый вход компаратора 9 эта помеха приходит в противофазе с помехой на втором его входе. Источником синфазной помехи с частотой, равной частоте колебаний 44, может оказаться, например, наводка на вторичную обмотку трансформатора 28, напряжения с его первичной обмотки через межобмоточные емкости. Для устранения влияния подобных помех достаточно внести задержку в полпериода в сигнал 54 на втором входе компаратора 9 с помощью дополнительного

блока фиксации сигнала, включенного между блоками 7 и 8 (не показан).

В схеме на фиг. 1 на блоки 6 и 7, подаются одинаковые управляющие пульсы 46 и 47. Можно подавать на управляющие входы входных ключей бло ка 7 импульсы, задержанные относительно импульсов 46 и 47 на любое время в пределах данного полупериода В частности, вместо того, чтобы еле- I довать сразу за фронтами (как импуль Iсы 46) и спадами (как импульсы 47). I сигнала 44, эти импульсы могут не Посредственно предшествовать фронтам |И спадам сигнала 44. Однако при на- Iличии скола верпши колебаний 52 I амплитуда колебаний 53 оказывается уменьшенной, что дол;кно быть скомпен сированно соответствующим ослаблен; - ; ем колебаний 51 или увеличением ко-™ лебаний 54, например, за счет соот |ветствующего выбора постоянной време |ии интегратора 5 или 8,

. Конденсатор 12 и резистор 26 обес :печивают 100%-ную отрицательную обратную связь усилителя 23 по постоянному, току. При достаточно большой емкости конденсатора 12 обратная связь по непременному току через резистор 26 практически отсутствует и линейность наклонных участков напряжения |54 не ухудшается. Повторитель 27 напряжения позволяет практически исключить разряд запоминающих конденса- 1торов блока 7 через входную цепь интегратора 8.

В случае питания датчика гармоническим напряжением прямоугольные колебания 56 (фиг.З) должны быть пре- образованы формирователем переменного напряжения в гармонические колебания. Это может быть сделано с помощью последовательного соединения узкополосного фильтра, настроенного на основнзпо частоту колебаний 56,-и линейного усилителя или с помощью схемы, содержащей трансформатор 33, и электронные ключи, состоящие из диодов 34 и транзисторов 35, управляемых выходными сигналами 69-76 (фиг.4) распредехшт ля импульсов. Б последнем случае напряжение питания датчика имеет вид ступенчато-гармонических колебаний 68. При необходимости ступеньки могут быть сглажены до полнительным фильтром низкой частоты, включенным меж/:|;у трансформатором 33 и входньми электродами 39 датчика

.,

c 0

5 д

д

0

5

(фиг.4). Датчик (фиг.4) представляет собой электроды 39-42, погруженные в электролит или, например, морскую воду. С помощью этого датчика может быть измерено перемещение электрода 42 относительно нулевого положения, определяемого местоположением заземленного электрода 41, в границах, задаваемых местоположениями электродов 40. Электрод 42 играет роль первого, а электроды 40 - второго выхода датчика.

Электрод 42 через конденсатор 13 подключен к входу интегратора 5 (на фиг.1 аналоговый коммутатор 4 в этом случае не обязателен). Электроды 40 через блок 43 согласования (трансформатор или парафазный усилитель) подключены к блоку 7. При этом гармонические колебания 62 (фиг.З) на входе интегратора 5 (фиг.1) и колебания 65 на входе блока 7 находятся в противо- фазе или в фазе, в зависимости от полярности включения трансформатора или парафазного усилителя блока 43. Напряжение 63 на выходе интегратора 5 имеет форму гармонических колебаний, смещенных на четверть периода относительно колебаний 62. Блоки 6 и 7 преобразуют колебания 63 и 65 в прямоугольные колебания 64 и 66 с теми же амплитудами. Поскольку колебания 63 . и 65 смещены относительно друг друга на четверть периода, импульсы 58 и 60, а также 59 и 61, -управляющие запоминанием амплитуд колебаний 63 и 65.в блоках 6 и 7, должны быть попар но сдвинуты относительно друг друга на четверть периода. Колебания 57, управляющие передачей амплитуд сигналов 63 и 65 на выходы блоков 6 и 7 и одновременно поступающие на вход преобразователя 10, сдвинуты на четверть периода относительно колебаний 56. В остальном работа устройства аналогична ранее рассмотренной (при питании датчика прямоугольными колебаниями), т.е. сигналы 64, 66 и 67 (фиг.З) аналогичны соответственно сигналам 51, 53 и 54 (фиг.2). Выходной код устройства отражает отношение величины смещения электрода 42 относительно электрода 41 (с учетом направления) к расстоянию между электродами 40. Таким образом, при изменении расстояния между электродами 40 изменяется масштаб, в котором измеряется смещение электрода 42.

Для измерения малых величин может потребоваться усиление сигнала,для го на первом выходе датчика 3 и на выходе фиксатора 6 могут быть включены соответственно дополнительные усилители (не показаны).

Отсутствие сквозного тракта хождения сигнала позволяет получить большое усиление без опасности возник- новения паразитной обратной связи между входом и выходом тракта. Это вместе с фильтрующим действием интег ратора 5 и блока 6 повьппает помехоус тойчивость, а значит, и чувствительность устройства.

Отсутствие искажений формы колеба - НИИ на входах интегратора 8 и компа- ратора 9 при любой форме колебаний

на выходах датчика благодаря примене-20 ра и вторым управляющим входом преоб- нию блоков 6 и 7 повышает точность устройства. Выполнение блоков 6, 7 в виде двух параллельных цепей с раздельной фиксацией уровней положитель-

разователя временного интервала в код, третий управляющий вход которого соединен с девятым выходом распределителя импульсов, причем второй

ной и отрицательной ползшолн сигнала 25 выход датчика сигнала через второй

обеспечивает дополнительное увеличение точности.

Формула изобретения

соответствующими информационными вхо .Q личающийся тем, что первый

дами регистра, вход управления которого соединен с первым выходом блока управления, выполненного на распреде лителе импульсов, а выходы регистра являются выходными шинами, о т л и- чающийся тем, что, с целью повьппения помехоустойчивости, точное ти, введены формирователь переменно-- го напряжения, второй и третий накопительные элементы, выполненные на конденсаторах, второй интегратор, аналоговый коммутатор, первый и второй блоки фиксации сигнала, выход первого блока фиксации сигнала через nepBbrii конденсатор соединен с входом первого интегратора, информационный вход первого блока фиксации сигнала соединен с первьш выходом датчика сигнала, первые управляющие входы

45

50

55

интегратор выполнен на усилителе, повторителе напряжения, трех резисторах, конденсаторе, первая обкладка которого объединена с первым выводом первого резистора, выходом усилителя и является выходом интегратора, вторая обкладка конденсатора объединена с первым выводом второго резистора и инверсным входом усилителя, прямой вход которого через третий резистор соединен с общей шиной, второй вывод второго резистора соединен с выходом повторителя напряжения, вход которого объединен с вторым выводом первого резистора и является входом интег ратора.

первого и второго блоков фиксации сигнала и преобразователя временного интервала в код объединены и соединены с вторым выходом распределителя импульсов, второй и третий входы управления первого блока фиксации сигнала соединены соответственно с третьим и четвертым выходами распределителя импульсов, пятый выход которого через формирователь переменного напряжения соединен с первым и вторым входами датчика сигнала, шестой выход соединен с первым и вторым управляющими входами аналогового коммутатора, седьмой выход соединен с вторым управляющим входом второго блока фиксации сигнала, восьмой выход соединен с управляющим входом компарато-

ра и вторым управляющим входом преоб-

разователя временного интервала в код, третий управляющий вход которого соединен с девятым выходом распределителя импульсов, причем второй

0

конденсатор соединен с первым информационным входом аналогового коммутатора, второй информационный вход которого через третий конденсатор, соединен с общей шиной, а первый и второй выходы объединены и через вто рой интегратор соединены с информационным входом второго блока фиксации сигнала, выход которого соединен с вторым входом -компаратора, третий управляющий вход второго блока фикса ции сигнала соединен с десятым выходом распределителя импульсов.

5

0

5

интегратор выполнен на усилителе, повторителе напряжения, трех резисторах, конденсаторе, первая обкладка которого объединена с первым выводом первого резистора, выходом усилителя и является выходом интегратора, вторая обкладка конденсатора объединена с первым выводом второго резистора и инверсным входом усилителя, прямой вход которого через третий резистор соединен с общей шиной, второй вывод второго резистора соединен с выходом повторителя напряжения, вход которого объединен с вторым выводом первого резистора и является входом интег ратора.

к/йочах и двух конденсаторах, первые обкладки которых объединены и являются общей шиной, вторая обкладка пер- Bcjro конденсатора обт единена с выхо цОм первого ключа и соединена с ин- формационным входом второго ключа, BTJopaH обкладка второго конденсатора объединена с выходом третьего клю ча| и соединена с информационным вхо- четвертого ключа, выходы второго и четвертого ключей объединены и яв- выходом блока, втравляющие второго и четвертого ключей объединены и являются первым управ - входом блока, информационные первого и третьего ключей обьединены и являются информацион ным входом блока, управляющие входы первого и третьего ключей являются соответственно вторым и третьим уп равляющими входами блока.

А, Преобразователь по п., о т л |и чающийся тем, что, с це ль снижения рассеиваемой мощности, фо|рмирователь переменного напряжения

5 п

П

6 п

п

я

ч

Я„ я -.,Xg, р:х

iVP

53

Г

выполнен на трансформаторе, двух ре- зисторах, источнике постоянного на- пряжения, двух транзисторах, инвер

торе, вход которого соединен с первым выводом первого резистора и яв- ляется входом формирователя переменного напряжения, второй вывод первого резистора соединен с базой перво-

го транзистора, эмиттеры первого и второго транзисторов и клемма отрицательной полярности источника постоянного напряжения объединены и являются общей щиной, а коллекторы соединены соответственно с первым и вторым выводами первичной обмотки трансформатора, средний вывод которой соединен с клеммой положительной полярности источника постоянного напряжения, выход инвертора через второй резистор соединен с базой второго транзистора, первый и второй выводы вторичной обмотки трансформатора являются соответственно первым и

вторым выходами формирователя переменного напряжения.

л

п

п

Фиг. 2

Фиг.З

. 4

±-ж

H-r-f-i

i±z

Фиъ.5