Частотный аналого-цифровой преобразователь Советский патент 1989 года по МПК H03M1/58 

31503

Изобретение относится к импульсной технике, в частности к преобразователям напряжения в цифровой код с промежуточным преобразованием в час- тоту импульсов.

Целью изобретения является повышение точности.

На фиг.1 изображена блок-схема аналого-цифрового преобразователя; на фиг.2 - временная диаграмма его работы.

Аналого-цифровой преобразователь (АЦП) содержит входные шины 1-3 для преобразуемого опорного напряжения UQ и для сигнала пуска соответственно, выходные шины 4, аналоговый переключатель 5, преЬбразователь 6 напряжения в частоту импульсов (ПНЧ), счетчик 7 импульсов, реверсивные счетчики 8 и 9, генератор 10 импульсов, триггеры 11-14, одновибраторы 15 и 16 инвертор 17, элементы И 18- 22, элементы ИЛИ 23-27,

На временной диаграмме фиг.2 обо- значены импульсы 28 на выходе ПНЧ 6, сигнал 29 пуска, сигналы 30-33 - на прямых выходах соответственно триггеров 11-14, импульс 34 на выходе элемента И 21, сигнал 35 ня выходе элемента ИЛИ 25, сигнал 36 на выходе инвертора 17, сигнал 37 на выходе элемента ИЛИ 2в, сигнал 38 на выходе элемента ПТИ 23.

АЦП работает следующим образом.

После включения питания и установки одновибратором 15 в исходное состояние триггеров 11-14 и счетчиков 7 и 8 вьтолияется однократное преобразование, по окончании которого все тригг-еры вновь устанавливают в исходное состояние и с помощью переключателя 5 опорное напряжение Up подключается на вход ПНЧ 6. Его выходны импульсы 28 проходят через элемент ИЛИ 24 и запускают одновибратор 16, который сигналом с инверсного выхода устанавливает в исходное состояние счетчик 9. Сигнал с инверсного выход триггера 11 поступает через элемент

ИЛИ 27 на вход элемента И 20, поэто му импульсы генератора 10 проходят через последний на счетный вход счетчика 9, где они вычитаются, так как этот же сигнал, проходя через элемент ИЛИ 25 (сигнал 35), включает в нем режим вычитания. Вычитание импульсов генератора 10-продолжается до появления очередного импульса fg ,

.

Q

5 20

25 30

35

дОедд а

50

55

по которому счетчик вновь устанавливается в исходное состояние. Такой процесс продолжается до поступления сигнала 29, который запускает одно- вибратор 15, устанавливающий в исходное состояние счетчики 7 и 8, а также в 1 триггеры 11 и 12. Сигнал 31 с прямого выхода триггера 12 подключает с помощью переключателя 5 на вход ПНЧ 6 преобразуемый сигнал U, а сигнал 30 с прямого выхода триггера 11 разрешает прохождение через элемент И 18 импульсов F от ПНЧ 6 на вход счетчика 8. Сигнал 30 поступает также на вход элемента ИЛИ 24 и запрещает запуск импульсами 28 од- новибратора 16. Снятие сигнала с инверсного выхода триггера 11 и далее с выхода элемента ИЛИ 27 запрещает прохождение импульсов генератора 10 через элемент И 20. Поэтому в счетчике 9 фиксируется код п,, который соответствует числу импульсов, поступивших в него за время t, от последнего импульса Fg 28 до импульса 29 (t, n,/f).

Сигнал с выхода элемента ИЛИ 27 проходит через инвертор 17 (сигнал 36) и разрешает работу элемента И 18, через который импульсы генератора 10 поступают на счетный вход счетчика 7, где они подсчитьшаются до его переполнения, и по этому сигналу устанавливаются в О триггер 12 и в 1 триггер 13. Таким образом формируется временной интервал Т (сигнал 31), в течение которого сигнал Ux преобразуется в FX. Сигнал 32 с прямого выхода триггера 13 проходит через элемент ИЛИ 27 и разрешает прохождение через элемент И 20 на счетчик 9 импульсов от генератора 10. Этот же сигнал, проходя через элемент И 22, открытый сигналом с ии версного выхода триггера 14, и далее через элемент ИЛИ 25 (сигнал 35), вновь включает режим вычитания в счетчике 9.

Сигнал с выхода элемента И 22 разрешает работу элемента ИЛИ 21, через который проходит первый импульс 34 Fg с выхода ПНЧ 6, сформированный после окончания Т в результате преобразования оставшегося заряда от и и от и в течение t. Длительность t равна временному интервалу от отрицательного перепада сигнала 31 до импульса 34. За время t в

515

счетчике 9 дополнительно вычитается п импульсов (t n,,/f) и формируется код (п , + п) .

По импульсу 34 заканчивается первый такт преобразования, который выполнялся в течение времени Т t, + + TO + t. За время Т, сформировано в течение Т N, импульсов, а затем еще один импульс после окончания Т, т.е. (N + 1) импульсов, которые подсчитаны счетчиком 8.

Длительность Т соответствует целому числу импульсов (Н + 1) от ПНЧ 6, поэтому погрешность от кван- тования при заряде интегрирующего конденсатора ПНЧ 6 в начале и конце Tjj компенсируется зарядом от V за время (t, + ц). В течение Т (N + 1 зарядов q скомпенсированы зарядом от Uy за TO и зарядом от 11 за (t, + t): (N, + 1)q kU,T + kU x X (t, + t).

Второй такт Т- начинается по им- пульсу FO 34, что исключает погреш- кость квантования в формировании Т, длительность которого составляет (N, + 1) импульсов FO . Во втором такте (N, + 1) зарядов q компенсируется в течение Т зарядом от U : ()q - kUgT. Формирование Т вьтолняется с помощью счетчика 8. Сигнал 33 с прямого выхода триггера 14 в счетчике 8 включает вычитание и полученный в первом такте код (N, + 1) уменьшается до нуля с приходом импульсов Гд от ПНЧ 6. Выходной сигнал элемента ИЛИ 23 в момент получения нулевого кода отрицательным перепадом устанавливает в О триггеры 11 и 14, что соответствует окончанию Т и процесса преобразования. Величина Т не соответствует результату преобразования и, так как в Т, ПНЧ 6, кроме преобразования и, , за Т выполняет еще и

ЧО

преобразование U в течение (t t) Поэтому при преобразовании Т; в код Nj последний уменьшается на (п, + п), что соответствует уменьшению Т на (t, + t), т.е. Т Тг - (t, tj), и получению точного результата Хр путем преобразования Т в код. Это реализуется при помощи счетчика 9, в котором за t, и t. накоплен код (Пд + п,). Так как сигнал с инверсного выхода триггера 14 с начала Т j снимается, то отсутствует сигнал на выходе элементов И 22 н ИЛИ 25 и импульсы от генератора 10, поступающие

16

в счетчик 9, увеличивают этот код до нуля. После поступления (п п импульсов fp в счетчике 9 устанавливается нулевой код, что соответствует окончанию интервала времени (t, + t2) и вычитанию этого времени из Т, и началу Т. В момент образован нулевого кода в счетчике 9 элемент ИЛИ 26 отрицательным перепадом сигнала 37 устанавливает в О триггер 13, у которого снятие с прямого выхда сигнала 32 запрещает прохождение через элемент И 20 импульсов на счечик 9 и разрешает сигналом 36 с выхода инвертора 17 прохождение этих импульсов через элемент И 19 на вход счетчика 7. В этом счетчике за время Tj получают результат преобразования Хр . Получение Хр и окочание преобразования происходит по отрицательному перепаду сигнала 38.

Процесс преобразования в А1Щ можно описать следуюи;им образом. Из выражений компенсации зарядов в ПНЧ 6 для Т, и Т определяется величина Tj :

kU,T + kU(t, + t) ,

откуда Tj (t, + tj) + f-- T.

- o

Ё результате преобразования Т в код Nj имеем: N Т fo (t, +

+ t)f- Гт o уменьшение N- на и о °

(n , + n,2) дает результат преобразования Хр. С учетом, что Т , t n,/fo, t величина Хр равна ,,-(n, + n)

,m.B.l.ni.f - (n. .n,)

У M rn - ГПР л

Uo 0 u

А1Ш.

в АЦП получают результат преобразования Хр с квантом по напряжению

Л

Д -, что позволяет увеличить точность работы АЦП.

Этот вывод сделан на основе приведенных выражений. Но в них не учтены погрешности квантования, обусловленные конечной величиной временного кванта преобразовании t,, t и Tj в коды п,, п и NJ, а также при формировании Т.

С учетом максимальных величин этих погрешностей имеют место следующие соотношения:

Uo --- - квант

о

(n, + 1) n,

(n, (N

n, + 1) 1/ i+ 1) 1/fc

fo ИЛИ n

.или N1503071

t,fo + 1. tifo - 1.

( - 1) 1/fo

Т f - 1 z - о

и

Подставляя эти значения в уравнения преобразования получаем значение Хр результата преобразования

(t, -ь

t)

.УЧн„т-1) jl;

(t,

N,

+ 4)fo - (t,fo ±

+ )-1; 1

Ju

+

1)

m - 1) + 2.

УЦы

Uo При преобразовании максимального

входного сигнала U

)lni

Uo в результате преобразования XlCU) может возникнуть наибольшая погрешность

x pCuj

( - 1) ± 2

N.mtV

По

сравнению с точным результатом Хр() - в ХрСи,) может иметь место погрешность, достигающая трех квантов, что по напряжению соответствует величине о ЗЛ„,1

Поэтому точность работы предлагаемого АЦП по сравнению с известным увеличивается меньше чем в та раз. Учитывая, что погрешность известного

8

2Л ность S,

2т U.

ЗЛ

то погрешуменьшается в

т

2т с6 -- раз,

во столько раз увеличивается точность работы AJJJI.

Таким образом, в предлагаемом АЦП при условии сохранения параметров известного (в части Т и F,,) по сравнению с ним в oL раз ность работы.

повышена точФормула изоб-ретения

Частотный аналого«-цифровой преобразователь, содержаш 1й аналоговый пе- реключат ель, первый и второй информационные входы которого являются соответственно шинами преобразуемого и опорного напряжения, а выход сое- динен с входом преобразователя напряжения в частоту импульсов, выход которого соединен с первым входом первого элемента И, вьсход которого соединен со счетным входом первого реверсивного счетчика импульсов, выходы разрядов которого соединены с входами первого элемента ИЛИ, выход

8

5

0

5

0

5

0

5

0

5

которого соединен с R-входом первого триггера, прямой выход которого соединен с вторым входом первого элемента И, а S-вход объединен с S-входом второго триггера и подключен к прямому выходу первого одновибратора, вход которого является шиной пуска, а инверсный выход подключен к входу установки в исходное состояние счетчика импульсов, выходы разрядов которого являются выходными шинами, а / счетный вход соединен с выходом второго элемента И, первый вход которого подключен к выходу генератора импульсов, выход переполнения счетчика импульсов соединен с R-входом второго триггера, прямой выход которого подключен к управляющему входу аналогового переключателя, вход второго одновибратора соединен с выходом второго элемента ИЛИ, отличающийся тем, что, с целью повышения точности, в него введены второй реверсивный счетчик импульсов, третий, четвертый, и пятый элементы ИЛИ, третий, четвертый триггеры, инвертор, выход которого соединен с вторым входом второго элемента И, а вход объединен с первым входом третьего элемента И и подключен к выходу третьего элемента ИЛИ, первый вход второго элемента И объединен с вторым входом третьего элемента И, первый вход третьего элемента ИЛИ объединен с первым входом четвертого элемента И и подключен к прямому выходу третьего триггера, вход установки в исходное состояние.которого объединен- с одноименными входами первого реверсивного счетчика импульсов, первого, второго и четвертого триггеров, подключен к инверсному выходу первого одновибратора, вход управления р,еверсом первого реверсивного счетчика импульсов подключен к прямому выходу четвертого триггера, инверсный выход которого соединен с вторым входом четвертого элемента И, R-вход подключен к выходу первого элемента ИЛИ, а S-вход - к выходу пятого элемента И, первый вход которого объединен с первым входом четвертого элемента ИЛИ и подключен к выходу четвертого элеме нта И, второй вход пятого элемента И объединен, с первым входом второго элемента ИЛИ и подключен к выходу преобразователя напряжения в частоту импульсов, вто9150307

рой вход второго элемента ИЛИ подключен к прямому выходу первого триггера, вторые входы третьего и четвертого элементов ИЛИ объединены и подключены к инверсному выходу первого триггера, R-вход третьего триггера соединен с выходом пятого элемента ИЛИ, входы которого подключены к выходам разрядов второго ревеосив- ю

110

ного счетчика импульсов, счетный вход которого подключен к выходу третьего элемента И, вход управления реверсом соединен с выходом четвертого элемента ИЛИ, а вход установки в исходное состояние подключен к выходу второго одновибратора, S-вход третьего триггера подключен к выходу переполнения счетчика импульсов.

Изобретение относится к импульсной технике, в частности к преобразователям напряжения в цифровой код с промежуточным преобразованием в частоту импульсов. В устройство, содержащее аналоговый переключатель 5, преобразователь 6 напряжения в частоту импульсов, два элемента И 18 и 19, два элемента ИЛИ 23 и 24, два триггера 11 и 12, два одновибратора 15 и 16, первый реверсивный счетчик 8 импульсов, счетчик 7 импульсов и генератор 10 импульсов, с целью повышения точности введены второй реверсивный счетчик 9 импульсов, три элемента И 20 - 22, три элемента 25,26,27, два триггера 13 и 14 и инвертор 17. 2 ил.

фие.2