Аналого-цифровой преобразователь Советский патент 1988 года по МПК H03M1/60 

со

СХ). СХ)

00

()

Изобретение относится к облас-i ти импульсной техники, в частности к преобразователям напряжения в цифровой код с промежуточным преобразователем напряжения в частоту импульсов, может быть использовано в прецизионных устройствах сбора аналоговой информации систем контроля и управления технологическими процессами и является усовершенствованием устройства по авт. св. № 486473. Целью изобретения является повьш1€ние точности преобразователя.,, Для этого в АЦП введены делитель тока, регистр, триггер, два одновибратора, два фор- миройателя импульсов и элементы И, ИЛИ, благодаря которым в АЦП выполняется взаимосинхронизация импульсов, уменьшается квант преобразования и тем самым повьш1ается точность .АЦП. 2 ил. i О)

К)

Изобретение относится к импульс™ нЬй технике, в частности преобразователям напряжения в цифровой код с промежуточным преобразованием в частоту импульсов, и являете дополнительным к авт. св. СССР № 486473,

Цель изобретения - повышение точности

На фиг. 1 изображена блок-схема А ЦП; на фиг. 2 - временная диаграм- м работы АЦП.

I Устройство содержит входную шину iL шину 2 эталонного и напряжения и шину 3 сигнала пуска в работу, вы- хрдные шины 4 кода результата преоб- р|азования, счетчик 5 формирования вре MleHHoro интервала, реверсивный счетчик 6, генератор 7 эталонной часто- тМ, управляемьй генератор (УГ) В, делитель 9 тока, регистр 10, двухпо- з ционньш аналоговый ключ 11, триг- 12 такта, триггер 13 цикла, до- пЬлнительный триггер 14, одновибра- тЬр 15 гашения, одновибратор 16 вре- м енной задержки, дополнительные од- новибраторы 17 и 18, формирователи 19 и 20 импульсов, элементы И 21-26, элементы ШШ 27, группу элементов

Генератор 7 имеет частоту f, коИЙИ 28, элементы ИЛИ 29 и 30 и дешиф- зо торая по сравнению с прототипом увератор 31 нулевого кода.

При этом реверсивный счетчик 6 п двоичных разрядов с емкостью KO В счетчике 5 число двоичньпс разрядов увеличено на q|( ) и его ем- кЬсть равна , он имеет Р Цпадших разрядов с емкостью , а в старших (ntq-P) разрядах и в са- йом младшем разряде входы для записи йода 1. Регистр 10 имеет Р+1 двоич- Цый разряд.

Делитель 9 тока ос тцествляет преличена в Q раз. Так как счетчик 5 имеет емкость , то формируемая длительность первого такта равна

В генераторе 7 имеется два

35

Т о f

40

(Образование и, в управлением,

I

ток с цифро- наибольшая величина

Uo

т.е.

составляет частоту тока - Р и ta N R ° Этот делитель может быть

выполнен, например, на основе R-раз- рядной резистивной матрицы типа 2R - Е - 2R. В этой матррще резистор 2R каждого разряда подсоединяется к выходу или к нулевому напряжению с помощью разрядных переключателей при подаче на их входы соответственно сигналов 1 или О. Если оконечньй резистор 2R младшего разряда не подсоединен к нулевому напряжению и vtMeeT дополнительный выход, этот выход необходимо подсоединить к допол45

50

55

входа, первый для остановки генерации, второй - для запуска, и он может быть выполнен, например, в виде последовательно соединенных в кольцо двух одновибраторов с элементом ИЛИ в цепи обратной связи на входе первого одновибратора, через который осуществляется запуск генератора 7 от внешнего импульса, а его останов может быть выполнен путем подачи на одновибратор 16 временной задержки импульса сброса с длительностью, большей 1/f.

На временной диаграмме (фиг. 2) обозначены: 32 - сигнал на выходе 1 одновибратора 15; 33, 34 и 35 - сигналы на выходах 1 триггеров 12, 13 и 14; 36и37- сигналы на выходах 1 одновибраторов 16 и 17; 38 - сигнал окончания преобразования на выходе дешифратора нулевого кода 31.

Устройство работает следующим образом.

нительному переключателю (P+l) разряда, аналогично переключателям разрядов матрицы, а вход матрицы соединить с входом делителя через резисN-Poтор с величиной R -с-- . Так как

Р вход делителя 9 соединен с U

его вьпсоде в зависимости от

о. то на

входного

кода формируется ток от О до Цт... соответственно для кодов О и 1 во всех разрядах, включая Р+1. Изменение 1а происходит С величиной кван

та

и.

j при изменении входного

f кода на единицу.

В двухпозиционном аналоговом ключе 11 величина резистора увеличена и

равна Н(:--р-). При отсутствии сигнала

W-Fp

на управляющем входе этот резистор подключен к UQ и на вход УГ 8 поступает ток 1 -1(1- -),

а при наличии

управляющего сигнала резистор подключен к и, и обеспечивает ток

- х с 1 Рр - --U- jj-K

Г

Генератор 7 имеет частоту f, коая по сравнению с прототипом увеличена в Q раз. Так как счетчик 5 имеет емкость , то формируемая длительность первого такта равна

В генераторе 7 имеется два

5

Т о f

0

5

0

5

входа, первый для остановки генерации, второй - для запуска, и он может быть выполнен, например, в виде последовательно соединенных в кольцо двух одновибраторов с элементом ИЛИ в цепи обратной связи на входе первого одновибратора, через который осуществляется запуск генератора 7 от внешнего импульса, а его останов может быть выполнен путем подачи на одновибратор 16 временной задержки импульса сброса с длительностью, большей 1/f.

На временной диаграмме (фиг. 2) обозначены: 32 - сигнал на выходе 1 одновибратора 15; 33, 34 и 35 - сигналы на выходах 1 триггеров 12, 13 и 14; 36и37- сигналы на выходах 1 одновибраторов 16 и 17; 38 - сигнал окончания преобразования на выходе дешифратора нулевого кода 31.

Устройство работает следующим образом.

По внешнему сигналу пуска запускается одновибратор 15, который сигналом с его выхода О устанавливает коды О в счетчике 5 и реверсивном счетчике 6, Отрицательный перепад сигнала 32 с выхода 1 одновиб- ратора 15 записывает 1 в триггерах 12 и 13 и О в триггере 1.4 (через элементы ИЛИ 29). При переключении триггера 12 элемент ИЛИ 27 запускает одновибратор 16, который сигналом с выхода О запрещает прохождение импульсов через элементы И 21, 22 и 23 и выключает генератор 7. Длительность импульса 36 одновибратора 16 больше времени переходного процесса в УГ 8 при подключении к нему и, которое осуществляет ключ 11 по сигналу 33 с выхода 1 триггера 12. Сигнал 33, проходя через группу элемент ИЛИ 28, в делителе 9 вклю- - Чает ток поступая в счетчик 6, включает режим суммирования.

На вход УГ 8 поступает ток I,

1 +1 Hi(u- о+ HO&п V R N R.N

т - О

tnT RЕсли 4(Ug, то максимальный ток J и УГ 8 формирует импульсы

Uo

с частотой Fj, , число которых за Т, будет равно N. В этом случае при преобразовании частоты УГ 8 будет наименьший временной квант, равный .

. При входной ток УГ 8 равен соответствующая ему частота F, с выхода УГ 8 будет наименьшей F,

10

j.lL о N

а временной квант t при

ее преобразовании в код будет наи N0 большим, t,(, - .

р Подсчет импульсов счетчиков 5 и

реверсивным счетчиком 6 соответственно от генератора 7 и от УГ 8 начнется только после окончания сигнала 36 и по появлению первого импульса от УГ 8, который пройдет через элемент И 23 и отрицательным перепадом установит I в триггере 14. Его выходней единичный сигнал 35 вместе с сигналом 34 с выхода триггера 13 и сигналом с выхода одновибратора 16

разрешает работу элементов И 21 и 22. 55 I

Отрицательный перепад сигнала с

выхода триггера 14 запускает формирователь 19, выходной импульс которс-

0

5

0

5

5

го включает в работу генератор 7. Это обеспечивает синхронизацию начала первого такта с импульсами f и F, , что исключает ошибки при формировании TO и t,ц при подсчете импульсов от УГ 8.

Длительность первого такта Т формируется, начиная с момента запуска генератора 7 до -переполнения счетчика 5. Втечение Т с каждым импульсом УГ 8 осуществляется запись в регистр 10 кода из Р младших разрядов и старшего разряда счетчика 5. При этом для исключения возможной записи неправильного кода в моменты переходных процессов при подсчете импульсов счетчиком 5 эта запись осуществляется с помощью элементов И 24 и 26 (работа которых разрешена сигналом 33), элемента ИЛИ 30, формирователя 20 и одновибратора 18. Запись неправильного кода может произойти в моменты времени, когда импульсы f и F( -совпадают, поэтому элемент И 24 в эти моменты времени на выходе будет иметь сигнал, запускающий положительным перепадом одновибратор 18.

Длительность импульса одновибра- тора 18 устанавливается большей длительности / импульсов сигналов F, иГ, но не превьшгающей 1 /F . Этот импульс объединяется с импульсами УГ 8, прошедшими через элемент И 26, в элементе ИЛИ 30, выходные сигналы которого запускают по отрицательному перепаду формирователь 20, осуществляющий запись кода в регистр 10. При совпадении импульсов F и f элемент ИЛИ 30 сдвигает во времени запуск формирователя 20 и тем самым обеспечивает запись кода в регистр 10 после окончания переходных процессов в счетчике 5 при подсчете импульсов f.

В конце TO первого такта последний импульс F, от УГ 8 может совпасть с последним импульсом f, вызывающим переполнение счетчика 5 и установку в нем кода О. В этом случае во все разряды регистра 10 записьшается 0 код включая О в старший Р+1 разряд.

Если последний импульс F, от УГ 8 приходит до окончания Т, , то в разрядах счетчика 5 находится код (N-Pp-+l +Р, ), где Р, - код в его Р младших разрядах.

0

5

0

5

Величина Р, при наибольших значениях временного интервала от последне. f о импульса F, до окончания Т наименьшая и равна нулю (кроме описанного случая при переполнении счетчиЖа) при появлении последнего импульса

F, за время , з ДО окончания Т .

При этом во всех старших разрядах Счетчика 5 будет код 1. Если при- Йять, что t,g соответствует наибольше- НУ временному кванту F, , получаемому (1ри преобразовании УГ 8 сигнала I . согда , то для этого случая ime

;

т соотношение t воляет определить

N 1

Сформированный в счетчике 5 код соответствует временному интервалу - t .,(T .,) от начала Т до последне(к К

Начало второго такта происходит J5 аналогично первому такту с приходом первого импульса F от УГ 8. При этом импульс переполнения счетчика ,5 по окончании Т запускает одновиб- ч ратор 17, его выходной сигнал 37 20 проходит через элемент И 25, работа которого разрешена сигналом 36, на входы записи кода 1 в самый младший и в (n+q-P) старшие разряды счетчика 5, устанавливая в нем код

|го. импульса F . Получение этого кода

связано с временной ошибкой t, из-за 5 (N-Pp+l), и на элемент ИЛИ 29, через временного квантования с помощью Импульсов, Поэтому величина Т,может быть представлена как

который в триггере 14 записывает код О. После окончания сигнала 36 первый импульс F устанавливает в 1 триггер 14, этим обеспечивается

V N-Pp- P, ) V

За время Т в счетчик 6 от УГ 8 Поступает целое число импульсов F : И записывается код

X,F, T,x.

По окончании Т импульс переполнения счетчика 5 устанавливает в О tpHrrep 12, снятие 1 выходного сиг- Нала 33 которого в двухпозиционном аналоговом ключе 11 подключает к УГ 8 ток 1 и разрешает прохождение через элементы 28 сигналов О и 1 с выхода регистра 10 (вместо сигналов 1 в первом такте), сигнал с

выхода О триггера 12 в счетчике 6 Включает режим вычитания и запускает одновибратор 16. Выходной сигнал последнего останавливает генератор 7 и запрещает прохождение импульсов , на входы счетчиков 5 и 6.

Сигналы с выхода регистра 10 через элементы ИЛИ 28 в делителе 9 устанавливают ток L, величина которого при коде 1 в (Р+1) разряде регистра 10 равна , ia J а при коде о в этом разряде - Т , так как сиг- Нал с его выхода О поступает на входы всех элементов 28 аналогично

их работе в первом такте. На вход УГ 8 itbcrynaeT ток

(. )

Этот ток с помощью УГ 8 преобразуется в частоту ,i

При токе делителя 9, равном I ,

и

I п- т.е. равен току I второго

Zm п

такта работы прототипа.

Начало второго такта происходит аналогично первому такту с приходом первого импульса F от УГ 8. При этом импульс переполнения счетчика 5 по окончании Т запускает одновиб- ратор 17, его выходной сигнал 37 проходит через элемент И 25, работа которого разрешена сигналом 36, на входы записи кода 1 в самый младший и в (n+q-P) старшие разряды счетчика 5, устанавливая в нем код

(N-Pp+l), и на элемент ИЛИ 29, через

(N-Pp+l), и на элемент ИЛИ 29, через

который в триггере 14 записывает код О. После окончания сигнала 36 первый импульс F устанавливает в 1 триггер 14, этим обеспечивается

синхронизация f и F, а также работа счетчиков 5 и 6.

В течение второго такта импульсы FJ, вычитаются из X, в счетчике 6, а импульсы f подсчитываются счетчиком 5. Этот процесс продолжается до

тех пор, пока в счетчике 6 не установится код О, по которому дешифратор 31 нулевого кода формирует сигнал 38. Отрицательньй перепад этого сигнала устанавливает в О триггер 13, его 1 сигнал 34 снимается и запрещается прохождение импульсов на входы счетчиков 5 и 6, преобразование заканчивается. Длительность

второго такта равна Т -- .

Fj

Время Tj преобразуется в код Xj с помощью счетчика 5, подсчитывающего имЛ ульсы f. При этом в X,j, может возникнуть от квантования ошибка Si 1

°7К

Т.е. Т,Х

+t . Отсюда можно опреi f ZKIX ги

делить величину Х

Hi(N-Pp)+Pp + 2,r.

Hi(N-P,5.P гдесС -а-.---- .

N-Pp+1.

величину S l + ciS -S , т.е.

1 7t

Для всех значений U, величина X будет больше которая представляет собой наименьшую величину, соответствующую , , 0,2 1. Поэтому за Т на вход счетчика 5 рб зательно поступит не менее Рр-1 импульсов и произойдет его переполнение, так как в нем был записан код

Этот импульс переполнения и соответствующий ему второй сигнал 37 не используются для управления работой А11Д. Первый из них подтверждает код О триггера 12, а второй не прохо- дит через элемент И 25, так как сигнал 36 на другом его входе .отсутствет. Учитывая это, к окончанию Т в счетчике 5 будет получен результ ат преобразования:

(N-Pp)-H-b4,..

Таким образом, преобразование входного и выполнено с квантом

U. и полученный результат Х.

I IN -ГрГ

отличается от точного значения Х

Ux -1 на

Хр р-.

При преобразовании максимального входного сигнала U Ug ему соответствует код X(N-Pp T+S . В этом случае будет наибольшая величина S погрешности р , которая возникнет когда,0,, 1, Р, 0, т.е.

N х- ,х N .,. Рр - 2 Hip-

По сравнению с прототипом, в котором при максимальных значениях погрешностей квантования J , равных единице, общая погрешность в результате преобразования может достигать четырех квантов, величиной U

-- , в данном АЦП, в котором пара аметры F , Т , Uxrt,U такие же как у

прототипа, наибольшее значение по- грешности не будет превьшать 5(„.. квантов, имеющих величину U.

Поэтому погрешность уменьшена в р раз, где

a 4Ui (-N-P,) ,Uo

так как

-L

4i:

Q

g-p-t: -«

5

5

0

5 0

5

0

5

0

0

5

Формула изобретения

Аналого-цифровой преобразователь по авт. св. № 486473, отличающийся тем, что, с целью повышения точности, в него введены регистр, делитель тока, группа элементов ИЛИ, дополнительный триггер, второй и третий элементы ИЛИ, первый и второй формирователи импульсов, первый и второй дополнительные одновиб- раторы, третий, четвертый, пятый и шестой элементы И, причем выход пятого элемента И подключен к входам записи кода 1 младшего и старших разрядов счетчика формирования временного интервала и к первому входу второго элемента ИЛИ, второй вхОд которого соединен с первым выходом одновиб- ратора гашения, первый вход пятого элемента И подключен к дополнительному выходу одновибратора временной задержки, второй вход - к выходу первого дополнительного одновибратора, вход которого соединен с выходом переполнения счетчика формирования временного интервала, единичные выходы Р младших разрядов и старшего разряда которого подключены к соответствующим единичным входам Р разрядов и Р+1 разряда регистра, вход записи которого соединен с выходом второго формирователя импульсов, нулевой выход Р+1 разряда регистра соединен с первыми входами элементов ИЛИ группы, вторые входы которых объединены с первыми входами четвертого и шестого элементов И и подключены к единичному выходу триггера такта, а единичные выходы Р разрядов регистра соединены с третьими входами соответствующих элементов ИЛИ группы, вход установки кода О реверсивного счетчика объединен с одноименным входом счетчика формирования временного интервала, вход делителя тока является шиной эталонного напряжения, а выход соединен с входом управляемого генератора, выход которого подключен к первому входу третьего элемента Ник вторым входам четвертого и шестого элементов И, выход последнего из которых подключен к первому входу третьего элемента ИЛИ, второй

91

вход которого соединен с выходом второго дополнительного одновибрато™ ра третий вход четвертого элемента И соединен е выходом генератора эта- ломкой частоты, первый вход которого по 1ключен к выходу одновибратора вре задержки и к второму входу третьего элемента И, второй вход - к ВЫХОДУ первого формирователя им- ny|ibCOB, вход которого объединен с третьим входом третьего элемента И и подключен к нулевому выходу допол- ни|гельного триггера, единичный выход

фиё.1

10

которого подключен к дополнительным, входам первого и второго элементов И, выходы элементов ИЛИ группы соединены с соответствующими входами делителя тока, выход третьего элемента И подключен к первому входу дополнительного триггера, второй вхо которого соединен с выходом второго элемента ИЛИ, вход второго формирователя импульсов подключен к выходу третьего элемента ИЛИ, а выход четвертого элемента И соединен с входом дополнительного одновибратора.