Логарифмический аналого-цифровой преобразователь Советский патент 1989 года по МПК G06G7/24 

Изобретение относится к устройствам преобразования аналоговой формы информации в цифровую и может быть использовано в автоматике, измерительной, преобразовательной и вычислительной технике, а также в системах управления.

Цель изобретения - повышение точности.

На фиг. 1 представлена функциональная схема логарифмического аналого- цифрового преобразователя; на фиг.2- временные диаграммы его работы.

Логарифмический аналого-цифровой преобразователь (ЛАЦП) содержит источник 1 опорных напряжений, первый коммутатор 2, генератор 3 экспоненциального напряжения (ГЭН) с регулируемой постоянной времени экспоненты, первый 4 и второй 5 счетчики, аналоговый компаратор 6, элемент И 7, одновибратор 8, два D-триггера 9 и 10,( блок 11 синхронизации, регистр 12, цифровой компаратор 13, двухразрядный цифроаналоговый преобразователь (ЦАП) 14, интегратор 15, генератор

оо

,

00 00

314

16опорных импульсов, второй коммутатор 17, аналоговый вход 18, цифровой вход 19 задания начального кода цепи регулирования постоянной времени экспоненты и цифровой выход 20 ycTpouctsa.

ЛА1Щ работает следующим образом.

На аналоговый вход 18 устройства поступает измеряемое напряжение Ux, на цифровой вход 19 - постоянный код Nxo. По импульсу запуска 29 от блока 11 синхронизации генератор 3 экспоненциального напряжения заряжается до своего максимального напряжения U5.

По окончании этого импульса с момента Т начинается формирование экспоненциального напряжения 31. Импульсом 30 осуществляется сброс счетчиков 4 и 5 и предустановка D-тригге- ров: триггер 9 устанавливается в О, а триггер 10 - в 1, если они находились в других состояниях (срач после включения питания).

За счет нулевого кода на управляющих входах первого 2 и второго

17коммутаторов включаются их первые каналы, так что на выход первого коммутатора 2 поступает первое опорное напряжение U01 с его первого входа (фиг. 2, диаграмма 32). Это напряжение и экспоненциальноспадающее напряжение с ГЭН 3 подаются на входы компаратора 6 и сравниваются в нем. Пока U0 больше напряжения ГЭН 3

на выходе аналогового компаратора 6 присутствует О (диаграмма 33). В этом состоянии на информационном входе триггера 9 действует Лог. 1 с выхода второго коммутатора 17, а на информационном входе триггера 10 присутствует Лог. О с выхода старшего разряда калибровочного счетчика 4 (диаграмма 34).

В момент ТЗ экспоненциальное напряжение становится меньше опорного U0( , и на выходе аналогового компаратора 6 формируется положительный перепад, который, поступая через элемент И 7 на тактовые входы триггеров 9 и 10, приводит к их опрокидыванию в соответствии с сигналами на их информационных входах. Необходимо учесть, что на втором входе элемента И 7 все это время находится Лог.1 (фиг. 2, диаграмма 38), поскольку од новибратор 8 имеет инверсный выход. Таким образом, на прямом выходе пер1803

4

вого триггера 9 формируется передний фронт измерительного временного-интервала Ти 37, а на инверсном выходе второго триггера 10 - калибровочного интервала Т 35. Оба счетчика 4 и 5 по сигналам разрешения счета с триггеров 9 и 10 начинают считать импульсы опорной частоты с генератора

16.

Сигнал Лог. 1 с инверсного выхода триггера 10 воздействует на входы управления младшего разряда коммутаторов 2 и 17 и переключает их на вторые каналы, в результате чего на второй вход аналогового компаратора 6 поступает измеряемое напряжение U, , & на информационный вход D-триггера 9 - сигнал Лог. О. Поскольку и,:

U,,, , то в момент Т аналоговый компаратор 6 возвращается в О.

В момент Т экспоненциальное напряжение 31 становится меньше измеряемого и компаратор 6 -вырабатывает второй положительный перепад, который приводит к опрокидыванию в исходное нулевое состояние триггера 9 в соответствии с сигналом на его информационном входе. Формирование измерительного интервала заканчивается. Длительность измерительного интервала Тм равна: Ти Т5 - Т3

, 1 U ot/v

с,-In --, где с-- постоянная вреи

мени экспоненциального напряжения ГЭН 3. Выходной код счетчика 5 равен

N - f , Г In --21- н гл, °э1П их

(О

Второй триггер 10 в момент времени Т5 остается в состоянии О поскольку на его информационном входе действует ЛоГ. О, начиная с момента Тг , до момента Т6. В момент

времени Т6 на выходе старшего разряда счетчика 4 появляется Лог. 1. Это приводит к переключению коммутаторов 2 и 17 на третьи каналы и подключению к второму входу компаратора

6 второго опорного напряжения U0Ј

(U0,, U0, ) . Выходной сигнал компаратора устанавливается в О. Таким образом, схема ЛАЦП подготавливается к фиксации окончания калибровочного

интервала.

Рассмотренный интервал времени Т6- Tz, в котором изменяется напряжение ГЭН 3, определяет диапазон измерений

DM входного напряжения, который связан с разрядностью п счетчиков 4 и 5 и разрешающей способностью йЛАЦП следующим образом

Ви 2™-.

В момент Т7 экспоненциальное напряжение ГЭН 3 становится меньше второго опорного напряжения Uoi , при этом на компараторе 6 формируется положительный перепад, который приводит к опрокидыванию второго триггера 10 (так как сигнал на его информационном входе изменился в момент Т6). Формирование калибровочного интервала Тк заканчивается

Tk Т7 - Т

/ -1 UCM

э1п

04

на счетчике 4 устанавливается код

f

on

, U о,

In --,

ot

(2)

который сравнивается на цифровом компараторе 13 с постоянным начальным кодом N ko.

С момента Т-, до Т8 происходит установление на выходах Больше -и меньше цифрового компаратора 13 результата сравнения кодов. В момент Tg импульсом 28 с выхода блока 11 синхронизации производится запись информации в регистр 12 и двухразряд иый ЦАП 14. В регистре 12 фиксируется код NM измеряемого напряжения, т.е. происходит обновление результата преобразования. В двухразрядном ЦАП t4 запоминается результат сравнения кодов, который сохраняется в нем в течение одного периода преобразования .

Аналоговое двухполярное напряжение с выхода ЦАП 14, имеющее следукг- щую релейную характеристику -Е„, если NK Nko; О , если Nk NKO ; -+Е„, если NK NKO ,

поступает на интегратор 15 и лее с выхода интегратора 15 на вход управления постоянной времени экспоненциального напряжения ГЭН 3.

Постоянную времени интегратора 15с учетом величины Е п выбирают такой, чтобы за время спадающего участка экспоненциального напряжения изменение выходного напряжения интегратора 15 не превышало величины эквивалентной 0,5 единицы счета кода N.

Таким образом, с помощью рассмотренной цепи регулировки код счетчика

NK NKO

(3)

с погрешностью, не превышающей единицы счета, поскольку сравнение осуществляется в цифровой форме цифровым компаратором 13. Из (1)-(3) на- ходят

20 lg ЯN NKO

U)

20 lg HЈL

(4)

U

02

откуда видно, что выходной код ЛАЦП пропорционален логарифму отношения измеряемого и опорного напряжений.

При увеличении (во время переходных процессов при включении питания) калибровочный интервал ограничен сверху значением (Т.-Т) импульсом 30 предустановки триггеров 9 и 10. При чрезмерном уменьшении €э ниже минимально допустимой величины

(этот случай отмечен на диаграмме 31 пунктиром) третий положительный перепад на выходе компаратора 6 отсутствует (пунктир на диаграмме 33), поэтому, калибровочный интервал Tk ограничивается снизу отрицательным импульсом 38 с выхода одновибратора 8 через элемент И 7 с тем, чтобы исключить инверсию знака обратной связи по цепи регулировки Јэ.

Оперативная проверка работоспособности ЛАЦП осуществляется путем снятия входного напряжения.

Как видно из временных диаграмм 31 и 32, положительный перепад в момент времени Т при этом отсутствует, а выходное напряжение компаратора 6 (диаграмма 33 ) равно нулю вплоть до момента Т7, т.е. первый триггер 9 срабатывает одновременно с

вторым 10 в момент Т7 и измерительный интервал становится равным калибровочному Ти Тк. При этом выходной код ЛАЦП NM NKo, что и является критерием работоспособности

всего ЛАЦП.

При выборе параметров ЛАЦП следует учесть, что величина кода Nj,0 оп- ределяется диапазоном опорных напряжений

D, 20 lg g«-(5)

и 01 и требуемой разрешающей способностьюД

я - Dk

Т

а постоянная времени экспоненты связана с опорной частотой соотношением (2), которое с учетом (5) и (6) дает С Mge

Л-f,-.

Величина определяет быстродействие преобразователя.

Практически при величине опорной частоты в несколько мегагерц и требуемой разрешающей способности, например, & 0,01 дБ достижимы быстродействие в доли миллисекунды и погрешность, не превышающая сотьйс долей децибела.

Таким образом, в ЛАЦП введением цепи автоматической регулировки постоянной времени экспоненты ГЭН 3 повышена точность преобразования за счет уменьшения медленно меняющихся составляющих погрешности, обусловленных уходом параметров ГЭН 3 и других элементов ЛАЦП.

Формула изобретения

Логарифмический аналого-цифровой преобразователь, содержащий источник опорных напряжений, интегратор, ана- логовый компаратор, одновибратор, первый и второй,триггеры, элемент И, первый и второй счетчики и генератор опорных импульсов, отличающийся тем, что, с целью повы- шения точности преобразования, в нем первый и второй триггеры выполнены в виде D-триггеров и введены первый и второй коммутаторы, генератор экспоненциального напряжения, цифровой компаратор, регистр, цифроаналоговый преобразователь и блок синхронизации, вход которого объединен со счетными входами первого и второго счетчиков и подключен к выходу генератор опорных импульсов, первый выход блока синхронизации соединен с входами установки в О первого D-триггера, первого и второго счетч,иков и с входом установки в 1 второго D-триг- гера, второй выход блока синхронизации соединен с входом запуска генератора экспоненциального напряжения, выход которого соединен с первым входом аналогового компаратора, второй вход которого подключен к выходу первого коммутатора, первый информационный вход которого соединен с первым выходом источника опорных напряжений, второй и третий информационные входы первого коммутатора соединены соответственно с аналоговым входом логарифмического аналого-цифрового преобразователя и вторым выходом источника опорных напряжений, выход аналогового компаратора соединен с первым входом элемента И, второй вход которого подключен к инверсному выходу одновибратора, выход элемента И соединен с тактовыми входами первого и второго D-триггеров, информационный вход первого D-триггера соединен с выходом второго коммутатора, первый информационный вход которого подключен к шине логической 1, второй и третий информационные входы второго коммутатора соединены с шиной логического О, прямой выход первого D-триггера соединен с входом разрешения счета первого счетчика, выходы разрядов которого соединены с информационными входами регисра, выходы разрядов которого являютс цифровым выходом устройства, инверсный выход второго D-триггера соединен одновременно с первыми управляющими входами первого и второго коммутаторов и с входом разрешения счета второго счетчика, разрядный выход которого соединен с первым входом цифрового компаратора, второй вход которого соединен с входом задания калибровочного интервала логарифмического аналого-цифрового преобразователя, выход цифрового компаратора соединен с информационным входом цифро- аналогового преобразователя, вход синхронизации которого объединен с входом записи регистра и подключен к третьему выходу блока синхронизации, выход цифроаналогового преобразовател соединен с информационным входом интегратора, выход которого подключен к входу управления постоянной времени генератора- экспоненциального напряжения, выход старшего разряда второго счетчика соединен с информационным входом второго D-триггера, с вторыми управляющими входами первого и второго коммутаторов и с входом запуска одновибратора.

J

Изобретение касается преобразования информации из аналоговой формы в цифровую и может быть использовано в измерительной, преобразовательной и вычислительной технике, а также в системах автоматического управления. Цель изобретения - повышение точности преобразования. Логарифмический аналого-цифровой преобразователь (АЦП) содержит источник опорного напряжения, два коммутатора, генератор экспоненциального напряжения (ГЭН) с входом регулировки постоянной времени экспоненты, аналоговый и цифровой компараторы, два Д - триггера, элемент И, одновибратор, два счетчика, регистр, блок синхронизации, генератор опорных импульсов, цифроаналоговый преобразователь (ЦАП) и интегратор. Логарифмический АЦП работает на основе сравнения экспоненциального напряжения ГЭН с двумя опорными и измеряемым напряжениями и формирования параллельно измерительного и калибровочного интервалов с помощью Д - триггеров, которые преобразуются в цифровой код первым и вторым счетчиками. Код калибровочного интервала сравнивается с цифровой константой и по результатам сравнения с помощью ЦАП и интегратора вырабатывается напряжение регулировки постоянной времени экспоненты ГЭН. 2 ил.

buff.

,я

Г« Я7 Г/ / Ф

0ы;

J-i-

П-