Устройство для измерения аналоговых величин с автоматическим масштабированием Советский патент 1988 года по МПК H03M1/12 

fui I

Изобретение относится к импульсной технике и может быть использовано в информационных измерительных системах для измерения аналоговых величин в широком диапазоне с автоматическим масштабированием.

Целью изобретения является расширение области Применения за счет

.Селектор 25 синхроимпульсов (фиг.6) содержит элемент 46 ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ, элемент НЕ 47, элемент 48 задержки, элементы 49 и 50 ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ, RS-триггер 51, D-триггеры 52 и 53 и элементы 54 и 55 ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ.

Блок 9 управления (фиг.7) состоит из D-триггера 56, элементов ИЛИ

Изобретение относится к импульсной технике и может быть использовано в информационных измерительных системах для измерения аналоговых величин в широком диапазоне с автоматическим масштабированием. Изобретение позволяет расширить область применения за счет измерения импульсных напряжений. Это достигается тем, что в устройство, содержащее блок 1 изменения масштаба, селектор 2 шкалы, распределитель 3 импульсов, элемент И 4, генератор 5 синхроимпульсов, аналого-цифровой преобразователь 6, вьтолненный на нуль-органе 7, цифро- аналоговом преобразователе 8, блоке управления 9, элемент 17 ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ, элемент И-НЕ 18, элемент НЕ 19, элемент И 10, генератор И синхроимпульсов, одновибратор 12, введены блок 21 выборки и хранения, мультиплексор 22, повторитель 23 напряжения, селектор 24 режима, селектор 25 синхроимпульсов, регистр 20 последовательных приближений, элемент НЕ 26, D-триггер 27. 4 з.п.ф-лы, 7 ил. i U)

обеспечения возможности измерения НЕ 57 и 58, п элементов 59 ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ, где п - число разрядов АЦП.

Устройство работает следующим образом.

При подаче сигнала на входную ши- 15 ну 14 срабатывает одновибратор 12

(фиг.25) и устройство устанавливается в исходное состояние.

Импульс с выхода одновибратора 12 (фиг.2Ю вместе с импульсами генератопульсньгх напряжений.

На фиг.1 изображена функциональная схема устройства; на фиг.2 - диаграммы работы устройства в режиме измерения постоянных напряжений; на фиг.З - диаграммы работы устройства в режиме измерения импульсных напряжений; на фиг.4 - функциональная схема блока выборки и хранения; на фиг.5функциональная схема селектора режи- 20 ра 1 1 (фиг.2а) поступает в селектор ма; на фиг.6 - функциональная схема 24, где после завершения всех переход- селектора синхроимпульсов; на фиг.7 - функциональная схема блока управления.

Устройство (фиг.1) содержит блок 25 1 измерения масштаба, селектор 2 шкалы, распределитель 3 импульсов, элемент И 4, генератор 5 синхроимпульсов, аналого-цифровой преобразователь ii (АЦП) 6 поразрядного уравновешива- Q

ных процессов в блоке 1 формируется импульс Старт (фиг.2Б). Импульсы с выхода одновибратора 12 (фиг.2) и Старт поступают в селектор 25, где вырабатываются синхроимпульсы АЦП (фиг. 2-2,3). При этом по импульсу Установка АЦП (фиг. 22.) регистр 20 и блок 9 устанавливаются в исходное состояние и на входах ЦАП 8 устанавливается код N 0,11..., а на его входах устанавливается напряжение 0 (ФИГ.2АА).

НИН, включаюшцй в себя последовательно соединенные нуль-орган 7, цифро- аналоговый преобр,азаватель (ЦАП) 8 и блок 9 управления, последовательно соединенные элемент И 10 и генератор 11 синхроимпульсов, одновибратор 12, входные шины 13 и 14, выходные шины 15 и 16, элемент 17 ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ, элемент И-НЕ 18, элемент НЕ 19, регистр 20 последовательного приближения, блок 21 выборки и хранения, мультиплексор 22, повторитель 23 напряжения, селектор 24 режима, селектор 25 синхроимпульсов, элемент НЕ 26, триггер 27 и входную шину 28.

На временных диаграммах (фиг.2 и 3) буквами 0,5, Ь,г,9,,,и, ,р,п, с, обозначены напряжения в соответ- ству1ош 1х точках схемы на фиг. 7.

Блок 21 выборки и хранения (фиг. 4) содержит пиковый детектор 29, сдвоенный компаратор 30, элементы НЕ 31-33, D-триггеры 34 и 35, элемент И 36, источник 37 пороговых напряжений.

Сепектор 24 режима (фиг.5) состоит из одновибратора 38, делителя 39 частоты, счетчика 40 импульсов, элемента НЕ 4, мультиплексора 42 элементов ИЛИ 43 и 44, D-триггера 45.

ЩЕЕ ИЛИ, где п - число разрядов АЦП.

Устройство работает следующим образом.

При подаче сигнала на входную ши- ну 14 срабатывает одновибратор 12

(фиг.25) и устройство устанавливается в исходное состояние.

Импульс с выхода одновибратора 12 (фиг.2Ю вместе с импульсами генератора 1 1 (фиг.2а) поступает в селектор 24, где после завершения всех переход-

ных процессов в блоке 1 формируется импульс Старт (фиг.2Б). Импульсы с выхода одновибратора 12 (фиг.2) и Старт поступают в селектор 25, где вырабатываются синхроимпульсы АЦП (фиг. 2-2,3). При этом по импульсу Установка АЦП (фиг. 22.) регистр 20 и блок 9 устанавливаются в исходное состояние и на входах ЦАП 8 устанавливается код N 0,11..., а на его входах устанавливается напряжение 0 (ФИГ.2АА).

По импульсу Старт (фиг.2Ь) заканчивается импульс Установка АЦП (фиг.22), После этого в селекторе 25 формируется второй синхроимпульс АШ1 (фиг.29), который своим положительным фронтом определяет знак измеряемого напряжения относительно иц . При этом на входы блока 9 поступают сигналы Опрос нуль-органа (фиг.1, 2я), Строб знака (фиг.1,2е) и сигнал с выхода нуль-органа 7.

Напряжение U поступает из блока 1 через мультиплексор 22 (фиг.2А), повторитель 23 на нуль-орган 7. В результате на выходе нуль-органа 7 появляется сигнал О, а на первом входе ЦАП В сигнал 1. Эти сигналы поступают на элемент 17, на выходе которого появляется сигнал 1. В результате, так как с инвертирующего выхода D-триггера 27 на другой вход элемента И-НЕ 18 поступает сигнал 1, на выходе этого элемента появляется сигнал О, на выходе элемента 19 сигнал 1 (фиг.2k). При этом на входах ЦАП 8 устанавливается код

I , 1 1 ... I , a на его выходе напряжение (з„. Если при этом U U , то на выходе элемента 18 будет сигнал О, а на выходе элемента 19 (фиг.2 к) - сигнал 1, открывающий элемент И А. В результате положительный перепад с элемента 26, соответствующий спаду импульса Старт, запускает генератор 5 и далее происходит переключение масштаба в блоке 1. По прошествии всех переходных процессов, связанных с переключениями и масштабированием, селектор 24 выдает следующий импульс Старт (фиг. 2 В) и, если Uy 7 U , то снова срабатывает генератор 5 и происходит следующее переключение предела масштабирования. Если теперь после масштабирования и.;ицд„, то нуль-орган

7переключается в состояние 1. На выходе элемента 17 появляется сигнал О, на выходе элемента 18 - сигнал I, а на выходе элемента 19 (фиг.1,2,к), который закрьшает элемент 4 появляется сигнал О. С приходом положительного перепада с элемента 26 переключателя D-триггер 27 подает разрешающий потенциал (фиг.2ж на элемент 10, который направляет синхроимпульсы с генератора 11 в селектор 25. Сигнал с выхода D-тригге- ра 27 (фиг.) одновременно поступает в селектор 24 и запрещает формирование импульса Старт. При этом из селектора 25 на вход блока 9 (фиг.1,

2г) поступают синхроимпульсы Опрос нуль-органа, а также сдвинутые на время длительности одного синхроимпульса (что обусловлено временем установления напряжения в ЦАП 8) синхроимпульсы (фиг.1,23), поступающие на вход А1Д11 6.

В результате в АЦП 6 происходит преобразование. Результаты масштабирования и преобразования, выдаются из устройства по тинам 15 и 16. Если U)( отрицательной полярности, т.е . | U I / Сцд I , то после установки А1Д1 в исходное состояние, когда блок 9 выдает на входы ЦАП 8 код О, I 1 ... 1, а на выходе ПАП 8 устанавливается напряжение l ;j,n 0) с приходом второго синхроимпульса АЦП (фиг.23) его положительным перепадом на выходах блока управления по сигналу с нуль- органа 7 устанавливается код 0,00... Этот кпд устанавливает на выходе ЦАП

8напряжение, равное К, . При этом

0

5

0

5

0

5

на выходе элемента 17 появляется сигнал 1. Если и больше иц, (по абсолютной величине), то на нуль-органе 7 остается сигнал 1. В результате запускается генератор 5 и импульс через открытый элемент 4 поступает в селектор 3 и происходит переключение шкалы масштабирования в блоке. Если после этого оказьшается, что /Ux/ I ицдг,/, то на выходе элемента 17 появляется сигнал О. Элемент 4 закрывается, элемент 10 открьшается и синхроимпульсы АЦП (фиг.23) поступают на преобразование в АЦП 6. Результаты масштабирования и преобразования вьщаются из устройства по шинам 15 и 16.

Режим преобразования импульсного напряжения рассмотрим по фиг.1 и диаграмме на фиг.З. Для обеспечения этого режима на вход 28 подается сигнал 1, который переводит устройство в селекторе 24 и блоке 21 в режим преобразования импульсных напряжений. При этом в селекторе 24, кроме импульсов, поступающих с генератора 11, формируется импульс Старт (фиг.ЗВ) и импульс Пуск (фиг.3п)| подготавливающий блок 21 к работе.

Блок 21 работает таким образом, что с приходом измеряемых импульсов он формирует по фронту второго импульса после сигнала Пуск (фиг.31) сигнал Выборка (фиг.3с). Потенциал Выборка переводит блок 21 из следящего за сигналом Uy (режима Выборка) в режим Хранение (фиксации) аналогового сигнала.

Таким образом, измеряемое импульсное напряжение 11. , поступившее на входную шину 13 устройства, пройдя блок 1 (фиг.Зр) мультиплексор 22, повторитель 23, поступает на вход блока 21 и через мультиплексор 22 на вход нуль-органа 7 АЦП (фиг.3л)., После прихода запускающего сигнала на входную шину 14 срабатывает одно- вибратор 12 (фиг.З) и устанавливает устройство в исходное состояние. .При этом в селекторе 24 начинается формирование импульса Пуск, который появляется на выходе селектора 24 после завершения начальной установки всех элементов устройства. От импульса Пуск по фронту второго импульса (фиг.Зр) срабатьшает блок 21 и выдает перепад Выборки (фиг.Зс). Блок 21 переходит в режим

0

5

0

цан

хранения и переключает мультиплексор 22 таким образом, что сигнал с выхода блока 21 поступает на вход нуль-органа 7 (фиг.3л). Кроме того, этот же сигнал поступает на вход повторителя 23, после которого он снова поступает на вход блока 21, что увеличивает время хранения выбранного сигнала и повьппает точность запоминания. По перепаду Выборка (фиг.3с) в селекторе 24 формируется импульс Старт (фиг.36), по которому в селекторе 25 заканчивается сигнал Установка АЦП (фиг.З г). При этом на входах ЦАП 8 устанавливается код О,11,..1, соответствующий напряжению 0 (фиг.3м). Далее по спаду второго синхроимпульса АЦП (фиг . 33 на входах ЦАП устанавливается код, обеспечивающий на его выходе напряжение или . если Uy Ццап то формируется код 1, 11... 1 (+ЕОП), а если U ; U то 0,00...О (-ЕО„ ).

Таким образом, по окончании положительного перепада второго синхроимпульса АЦП (фиг.39) на выходе элемента 18 устанавливается сигнал О,а на выходе элемента 1 9 (фиг.Зк) - сигнал 1. В результате положительным фронтом с элемента 26 запускается генератор 5 (фиг.Зу), который запускает режим масштабирования. Перепад Выборка (фиг.3с), кроме импульса Старт (фиг.ЗЬ) в селекторе 2А, запускает режим формирования импульса Пуск, который поступает на выход П селектора 24 (фиг.З) после завершения всех коммутаций и нормализации в блоке 7. Если напряжение на выходе блока 21 (фиг.3л) оказывается меньше U. д Qn з олютной величине, то на выходах элементов 18 и 19 сигналы меняются на противоположные. После прихода импульса Пуск (фиг.Зп) по фронту второго измеряемого импульса (фиг.Зр) блок 21 снова переходит из режима Выборка в режим Хранение, Блок 21 выдает на первый выход (фиг.1) перепад управляющего напряжения (фиг.Зс), При этом на втором выходе появляется постоянное напряжение для подачи его через мультиплексор 22 (фиг.3л) на нуль орган 7. В результате по перепаду Выборка в селекторе 24 формируется импульс Старт (фиг,3&) и переключается D-триггер 27, потенциал с инвер

0

15

67926

тирующего выхода которого (фиг,3)(с) открьшает элемент 10, и синхроимпульсы с генератора 11 поступают в селектор 25, а оттуда на вход блока 9 (фиг.1,32) в качестве синхроимпульсов Опрос нуль-органа, а также сдвинутые на время длительности одного синхроимпульса (что обусловлено временем установления напряжения в ЦАП 8) синхроимпульсы (фиг.ЗЗ), поступающие на вход АЦП 6 для преобразования постоянного напряжения в АЦП аналогично описанному. Выходной код по шинам 15 и 16 выдается из устройства .

Формула изобретения

1, Устройство для измерения аналоговых величин с автоматическим масштабированием, содержащее одновибра- тор, аналого-цифровой преобразователь, выполненный на последовательно

соединенных блоке управления, цифро- аналоговом преобразователе, нуль-органе, последовательно соединенные первый генератор синхроимпульсов,первый элемент И, распределитель импульсов, селектор шкалы, блок изменения масштаба, последовательно соединенные второй генератор синхроимпульсов и второй элемент И, второй вход блока изменения масштаба является первой

входной шиной вход одновибратора - второй входной шиной выходы селектора шкалы являются первыми выходными шинами, выходы блока управления - вторыми выходными шинами, последовательно соединенные элементы ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ПТИ, И-НЕ и первый элемент НЕ, первый вход элемента ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ объединен с первым входом блока управения и соединен с выходом нуль-органа, второй вход объединен с входом старшего разряда цифроаналогового преобразователя, выход одновибратора соединен с первым входом первого генератора синхроимпульсов, входом второго генератора синхроимпульсов, вторыми входами селектора шкалы и блока управления, выход первого элемента НЕ соединен с вторым входом первого элемента И, отличающееся тем, что, с целью расширения области применения за счет обеспечения возможности измерения импульсных напряжений, в него введены блок выборки и хранения, мультиплексор.

повторитель напряжения, селектор режима, селектор синхроимпульсов, второй элемент НЕ, D-триггер, регистр последовательного приближения, выходы которого соединены с соответствующими третьими входами блока управления, четвертый и пятый входы которого соединены соответственно с первым и вторым выходами селектора синхроимпульсов, третий и четвертый выходы которого соединены соответственно с первым и вторым входами регистра последовательного приближения, третий вход KOTopoiо соединен с вторым выходом блока управления, первые входы селектора режима и блока выборки и хранения объединены и являются третьей входной шиной, второй вход блока выборки и хранения объединен с первым входом мультиплексора и соединен с выходом повторителя напряжения, вход которого соединен с первым Выходом мультиплексора, второй вход которого соединен с выходом блока изменения масштаба, третий вход блока выборки и хранения объединен с вторыми входами селектора режима распределителя импульсов, первым входом селектора синхроимпульсов, R-входом D-триггера и соединен с выходом од- новибратора, четвертый вход блока выборки и хранения соединен с первым выходом селектора режима, третий вход которого объединен с третьим входом мультиплексора и соединен с первым выходом блока выборки и хранения,четвертый и пятый входы мультиплексора объединены и соединены с вторым выходом блока выборки и хранения, второй выход мультиплексора соединен с вторым входом нуль-органа, причем второй вход селектора синхроимпульсов соединен с выходом второго элемента И, четвертый вход селектора режима объединен с третьим входом селектора синхроимпульсов, вторым входом второго элемента И и соединен с неинвертирующим выходом D-триггера, четвертый вход селектора синхроимпульсов объединен с входом второго элемента НЕ и соединен с вторым выходом селектора режима, выход второго элемента НЕ соединен с вторым входом первого генератора синхроимпульсов и С-входом D-триггера, D- вход которого соединен с выходом элемента И-НЕ, второй вход которого соединен с инвертируюшкм выходом D-триг

0

5

0

гера, а выход второго генератора синхроимпульсов соединен с пятым входом селектора режимй.

2,Устройство по П.1, отличающееся тем, что блок выборки и хранения выполнен на пиковом детекторе, сдвоенном компараторе, трех элементах НЕ, двух D-триггерах, элементе И и источнике пороговых напряжений, первый и второй выходы которого соединены соответственно с первым инвертирующим и первым неинвертирующим входами сдвоенного компаратора, вто5 рой инвертирующий и второй неинвертирующий входы которого объединены и являются вторым входом блока выборки и хранения, стробирующии вход сдвоенного компаратора соединен с инвертирующим выходом первого D-триггера и первым выходом пикового детектора, который является первым выходом блока выборки и хранения, вторым выходом которого является второй выход пикового детектора, выход сдвоенного компаратора соединен с первым входом элемента И и входом первого элемента НЕ, выход которого соединен с С-входом второго триггера, D-вход которого объединен с D-входом первого D-триггера и является первым входом блока выборки и хранения, R-входы первого и второго D-триггеров объединены и соединены с выходом второго элемента НЕ, вход которого является четвертым входом блока выборки и хранения, третьим входом которого является вход третьего элемента НЕ, выход которого соединен с первым С-входом первого D-триггера, второй С-вход которого соединен с выходом элемента И, второй вход которого соединен с неинвер- тируюш 1М выходом второго D-триггера.

0

5

0

5

динен с вторым управляющим входом счетчика импульсов, счетный вход которого объединен с входом элемента НЕ и соединен с выходом делителя час тоты, вход которого является пятым входом селектора режима, первый,второй, третий и четвертый информационные входы счетчика импульсов объединены и являются общей шиной, вход ус тановки счетчика импульсов объединен с первым входом элемента ИЛИ и является вторым входом селектора режима, второй вход первого элемента ИЛИ объ единен с первым входом второго элемента ИЛИ и соединен с выходом одно- .вибратора, вход которого является третьим входом селектора режима, вто рой вход второго элемента И.ПИ соединен с третьим выходом мультиплексора, а выход второго элемента ИЛИ является вторым выходом селектора ре жима, четвертый выход мультиплексора является первым выходом селектора ре жима, первый и второй информационные входы мультиплексора объединены И соединены с выходом элемента НЕ.

П679210

четвертым вь1ходом селектора синхроимпульсов, вторым выходом которого является выход третьего элемента ИС- КХООЧАЮЩЕЕ ИЛИ, второй вход которого объединен с входом элемента НЕ и является вторым входом селектора синхроимпульсов, выход элемента НЕ соединен с вторым входом первого элемен- ,д та ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ, D-входы первого

и второго D-триггеров объединены и , являются шиной источника положительной полярности С-входы первого и второго D-триггеров объединены и

15 соединены с выходом элемента задержки, R-вход второго D-триггера соединен с выходом второго элемента ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ, второй вход которого является третьим входом селектора

20 синхроимпульсов, первым выходом которого является инверсный выход второго D-триггера.

, первые входы которь х являются соот30 ветственно третьими входами блока управления, второй вход п-го элемента ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ является общей шиной, второй вход (п-1)-го элемента ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ соединен с выходом первого Элемента ИЛИ-НЕ, вторые входы элемен тов ИСК.ПЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ с первого по

(п-2)-й объединены и соединены с выходом второго элемента ИЛИ-FiE, выходы п элементов ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ явля Q ются соответственно первыми выходами блока управления, вторым выходом которого является инверсный выход D- триггера, который соединен с первым входом второго элемента ПТИ-НЕ, вто.,- рой вход которого объединен с первым входом первого элемента И1Б1-НЕ и является четвертым входом блока управления, второй вход первого элемента ИЛИ-НЕ соединен с прямым входом D- григгера, S-, D- и С-входы которого являются соответственно вторым, первым и пятым входами блока управления.

50

cpuaZ

сриР.З

Г

Д

/ 2 Ч S

НО

.

21

Л

fV

Ч-

V2

с;

5