Аналого-цифровой преобразователь с частотным преобразованием Советский патент 1990 года по МПК H03M1/60 

1

(21)4442995/24-24

(22)14.04.88

(46) 28.02.90. Бюл. № 8

(71)Всесоюзный научно-исследовательский институт электромеханики

(72)Л.М. Лукьянов и А.П. Телепин (53) 681.325(088.8)

(56) Авторское свидетельство СССР № 1150769, кл. Н 03 М 1/60, 1983.

Авторское свидетельство СССР № 1285600, кл. Н 03 М 1/60, 1985.

(54) АНАЛОГО-ЦИФРОВОЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ С ЧАСТОТНЫМ ПРЕОБРАЗОВАНИЕМ (57) Изобретение относится к импульсной технике, в частности к преобразователям напряжения в цифровой код с промежуточным преобразованием напряжения в частоту импульсов, и может быть использовано в устройствах сбора аналоговой информации различных систем контроля и управления технологическими процессами. Недостатком известного аналого-цифрового

Изобретение относится к импульс- . ной технике, в частности ЯГ преобразователям напряжения в цифровой код с промежуточным преобразованием в частоту импульсов.

Цель изобретения - повышение точности преобразования.

На фиг. 1 изображена блок-схема предлагаемого аналого-цифрового преобразователя (АЦП); на фиг. 2 - блок-схема блока синхронизации; на фиг. 3 - временные диаграммы работы АЦП.

преобразователя (АЦП) является наличие погрешностей, возникающих при изменении частоты помехи, в течение длительности которой выполняется преобразование сигнала. Целью изобретения является повышение точности преобразователя за счет уменьшения влияния на результат преобразования этих погрешностей. АЦП содержит преобразователь напряжения в частоту импульсов с входным аналоговым переключателем, вычитатель с ключом, три счетчика, два триггера, блок синхронизации, одновибратор, элементы И, ИЛИ, генератор и формирователь импульсов, нуль-орган. Новым является введение триггера, двух одновибрато- ров и элементов И и ИЛИ, благодаря которым в АЦП исключено влияние на результат преобразования изменения времени измерения, которое задается от внешней синхронизации, и тем самым повышается точность АЦП. 1 з.п. ф-лы, 3 ил.

Аналого-цифровой преобразователь (АЦП) содержит входные шины 1 и 2 преобразуемого и опорного напряжений Ьсоответственно, шину 3 синхронизация, шину 4 запуска АЦП в работу, аналоговый переключатель 5 и ключ 6, вычитатель 7, преобразователь 8 напряжении в частоту импульсов, первый 9, второй 10 и реверсивный 11 счетчик, триггеры 12-14 такта, цикла и синхронизации соответственно, формирователь 15 импульсов, генератор 16 импульсов, нуль-орган 17, первый 18, второй 19

Oi

Ј |

о & &

И третий 20 одновибраторы, с первого По девятый элементы И 21-29, с первого по четвертый элементы ИЛИ 30-33, блок 34 синхронизации, выходную шину 35 готовности результата преобразования, выходную шину 36 результата преобразования.

Блок 34 синхронизации выполнен на вычитающем счетчике 37, регистре 38, формирователе 39 импульсов, одновиб- Ьаторе 40, элементе И 41 и элементе рВД 42.

I На временных диаграммах работы АЦП обозначены: Ј3 - выходной импульс рдновибратора 18; 44 - выходные им- фгльсы нуль-органа 17; 45, 46 и 47 - Сигналы на 1 выходах триггеров 12, 13 и 14 соответственно; 48 и 49 - Сигналы на выходах элементов И 25 и 24, 50 и 51 - сигналы на выходах Элементов ИЛИ 33 и 32.

Аналого-цифровой преобразователь (АЦП) работает следующим образом.

По сигналу запуска АЦП в работу., поступающему по шине 4, одновибратор 18 формирует сигнал выходной импульс 43, который устанавливает в О счетчики 9 и 11 и триггеры 14 и 13 (через элемент ИЛИ 32) ив 1 триггер 12. Сигнал запуска АЦП приходит перед сигналами синхронизации на шине 3, по которым нуль-орган 17 формирует выходные импульсы 44, формирующие время измерения входного сигнала, равное Тгп 2Јс, где Ъс- период повторения этих импульсов.

Первый импульс 44, проходя через элемент И 26, устанавливает 1 в триггере 13 и, поступая на счетный вход триггера 14, устанавливает 1 в последнем (сигнал 47). С этого момента начинается первый такт Т 1 работы АЦП. Сигнал 46 с 1 -выхода тригера 13 разрешает работу элементов И 27 и 22, через первый из которых на вход счетчика 11 поступают импульсы fx SUх с выхода преобразователя 8, так как переключатель 5 по сигналу 45, поступающему на его вход подключает сигнал Ux через второй- элемент И 22 и элемент ИЛИ 30, в результате чего на вход счетчика 9 по- . ступают импульсы формирователя 1

Импульсы f ф, возникают при пере- ключении в О старшего разряда счетчика 10, т.е. при его переполнении о подсчета импульсов генератора 16, имеющего частоту f N0f0 (в N0 раз

более высокую по сравнению с прототипом) .

Так как сигнал 45 запрещает прохождение импульсов f через элемен ИЛИ 31 и разрешает их прохождение через элемент И 29, то с выхода последнего они устанавливают 1 в старшем разряде счетчика 10с емкостью 2М0. Поэтому переполнение счетчика 10 будет происходить через N,, импульсов f, а частота повторения импульсов ЈФ1 будет равна f/N0. Эти импульсы используются в блоке 34 для измерения длительности Тс. При этом в нем формируется код Ng 2N0 - Nc, где 2N0 - емкость счетчика 37, a Nc может иметь величину от N0 до 2Nff. Величина N формируется с помощью счетчика 37, работающего на вычитание, и регистра 38, предназначенного для хранения кода Nn. С приходом каждого импульса 44 сначала в регистр записывается код Na, полученный за время от предыдущего импульса до текущего а затем благодаря задержке формирователя 39,устанавливается код О в счетчике 37. При совпадении импульса 44 с импульсом f для исключения возможной записи неверного кода N а во время переходного процесса в счетчике 37 осуществляется запуск одно- вибратора 40, выходной импульс которого, объединяясь с Јф в элементе ИЛИ 42, сдвигает момент записи кода Nn в регистр на время, большее времни переходного процесса в счетчике 37. Запись кода No будет выполняться только в первом такте Т1 работы АЦП, так как в это время сигнал с 0 -выхода триггера 12 отсутствует и импульсы проходят через элемент ИЛИ 42 (в дальнейшем этот элемент из работы выключается).

За время Тс, т.е. в течение длительности сигнала 48, импульсы f, с выхода элемента И 25 проходят через элементы И 27 и 21 на счетный вход второго младшего разряда счетчика 9, сформировали бы в нем код xn 2Tcf х. Но одновременно с fx на счетный вход младшего разряда счетчика 9 поступают импульсы f , которые проходят через элементы И 22 и ИЛИ 30 и далее через элемент И 28 на выход управления вычитанием счетчика 9. За время Тс количество этих импульсов будет равно ,, поэтому в счетчике 9,

имеющем емкость 2М0 удет получен код х .,, 2N0 - T0ffj + + 2Tcfx. Обеспечение правильной работы счетчика 9

импульсов

f,H

в случаях совпадения осуществляется при

помощи одновибраторов 19 и 20 и элементов И 23 и 28. С каждым импульсом f% запускается одновибратор 19, сигнал с 0 -выхода которого запрещает прохождение импульса через элемент- И 28, а сигнал с 1 -выхода разрешае работу элемента И 23. При совпадении импульсов fx и f последний проходит через элемент И 23 и запускает одно- вибратор 20, выходной сигнал которого объединяется в элементе ИЛИ 30 с импульсом удлиняет его, в результате чего в счетчике 9 сначала выполняется суммирование импульса f а затем уже вычитание импульса f

х

,

После окончания сигнала 48 в счет чике 9 до окончания сигнала 45 бу- ,- - дет происходить суммирование импуль- 25 сов f , так как элемент И 28 выключен из работы. Этот подсчет импульсов закончится при переполнении счетчика

представляет собой предварительный результат преобразования хп, скорректированный в соответствии с изменением Тс, представленным Nc. После

9 и фиксации в нем кода 0, по котоокончания сигнала 49 начинается третий такт Т3 работы АЦП, в котором Ux

отключается от вычитателя 7 и с его рому сигнал 50 в элементе ИЛИ 33 сни- 30 выхода напряжение „ ПОдается на мается, в результате чего устанавли- преобразователь 8, вырабатывающий вается в 0 триггер 12. За это вре- f SU0. Импульсы Јэ промя, т.е. за время Тц, на вход счетчика 9 поступит х импульсов Јф,:

должают уменьшать код 4N в счетчике 11 до нуля за время Т3, т.е. /IN

элемент И 29 и включается в работу элемент ИЛИ 31, через который импульсы с выхода формирователя 15 осуществляют запись в счетчик 10 кода N- из блока 34. Это приводит к тому, что частота f$ будет изменена на f

Ј

7N, N,

Nc

Импульсы f«, поступают на счетчик 9, где суммируются. За время длительности сигнала 49,

которая равна Т t 21й

Тстг

2Т -

сч

Ч

в счетчике 11 будет формиро

20

ван код dN -

N,- N2,

где Nt S(U0 - а в счетчике 9 - код х

х,

f

No N

Величина х

1

представляет собой предварительный результат преобразования хп, скорректированный в соответствии с изменением Тс, представленным Nc. После

должают уменьшать код 4N в счетчике 11 до нуля за время Т3, т.е. /IN

Изобретение относится к импульсной технике, в частности к преобразователям напряжения в цифровой код с промежуточным преобразованием напряжения в частоту импульсов, и может быть использовано в устройствах сбора аналоговой информации различных систем контроля и управления технологическими процессами. Недостатком известного аналого-цифрового преобразователя (АЦП) является наличие погрешностей, возникающих при изменении частоты помехи, в течение длительности которой выполняется преобразование сигнала. Целью изобретения является повышение точности преобразователя за счет уменьшения влияния на результат преобразования этих погрешностей. АЦП содержит преобразователь напряжения в частоту импульсов с входным аналоговым переключателем, вычитатель с ключом, три счетчика, два триггера, блок синхронизации, одновибратор, элементы И, ИЛИ, генератор и формирователь импульсов, нуль-орган. Новым является введение триггера, двух одновибраторов и элементов И и ИЛИ, благодаря которым в АЦП исключено влияние на результат преобразования изменения времени измерения, которое задается от внешней синхронизации, и тем самым повышается точность АЦП. 1 з.п. ф-лы, 3 ил.

х

fi

т

-2No х-м ТсЈф(- 2Tcfx;

-11

Т.(1 - 2

Снятие сигнала 45 в элементе И 24 формирует сигнал 49, который с помощью ключа 6 подключает сигнал Ux на вход вычитдтеля 7. Его выходной сигнал U - Utf - Ux подается с помощью аналогового переключателя 5, на управляющем входе которого сигнал 45 отсутствует; на вход преобразователя 8, формирующего частоту fi S(U0 их)....

Сигнал с 0 -выхода триггера 12 в счетчике 11 включает режим вычитания, в результате чего импульсы fa будут уменьшать полученный в нем за Т, код NJ SU (Тс + . Это будет выполнятся в течение второго такта Тг работы А1Щ, который заканчивается по третьему импульсу 44, устанавливающему в 1 триггер 14 (сигнал 47). При снятии сигнала 45 выключается из работы

f т

I3i3

откуда Т3

Щ f СМтс Ј3 Ј3 Ux

V - (Ue- Ux)Ta - 2ТС- Т4.

О

В момент возникновения кода О1

в счетчике 11 снятие выходного сигнала 51 в элементе ИЛИ 32 устанавливает О в триггере 13, т.е. заканчивается третий такт Т3 работы АЦП и преобразование АЦП, в результате чего на шине 36 устанавливается ( окончательный результат преобразования, о чем передается информация по шине 35 сигналом 46.

Если к окончанию Т в счетчике 11 находится код О, то сигнал 49 через элемент ИЛИ4 32 также устанавливает в О триггер 13, в результате чего преобразование заканчивается без выполнения Tj.

Результат преобразования X формируется в счетчике 9, на вход которого в течение Т3 поступают импульсы Ј$ ,

корректирующие находящийся в нем предварительный результат х7 . Число этих импульсов за Т3 будет равно хэ поэтому окончательный результат преобразования равен Ux „„ Ux

Х4 + X.

и.

2N,

д

1 w

где /з - квант АЦП.

В А1Ш для правильной раббты вы- читателя 7 и преобразователя 8 напряжение -U0 должно быть в два раза (как в прототипе) больше максимального сигнала UXm, т.е. U0 2U и квант АЦП

А-«Јв.

м

N о

Результат преобразования х не со- 1держит составляющих погрешностей от N. Таким образом, при изменении времени -преобразования входного сигнала определяемого периодом помехи, по сравнению с прототипом, в котором во никает дополнительная погрешность, в предлагаемом АЦП это изменение не влияет на результат преобразования, т.е. повышена точность его работы.

Формула изобретения

, 1. Аналого-цифровой преобразователь с частотным преобразованием, содержащий аналоговый переключатель, первый информационный вход которого является входной шиной и объединен с информационным входом аналогового ключа, а выход подключен к входу преобразователя напряжения в частоту импульсов, первый одновибратор, вход которого является шиной запуска, а выход соединен с входами сброса первого счетчика и реверсивного счетчика и первым входом триггера такта, гене- ратор импульсов, выход которого соеди нен со счетным входом младшего разряда второго счетчика, первый, второй, третий и четвертый элементы И, первый вход последнего из которых подключен к выходу триггера цикла и объединен с первым входом второго элемента И, выход которого соединен с первым вхо- . дом первого элемента ИЛИ, а второй вход объединен с первым входом третьего элемента И и с импульсным входом блока синхронизации, вход синхронизации которого соединен с выходом нуль- органа, вход которого является шиной

0

5

5

0

5

. . .

0

5

синхронизации, а кодовые выхода блока синхронизации соединены с одноименными входами второго счетчика, вход записи которого подключен к выходу второго элемента ИЛИ, первый вход которого соединен с выходом формирователя импульсов, вход которого подключен к единичному выходу старшего разряда второго счетчика, первый выход триггера такта соединен с входом управления вычитанием реверсивного счетчи- ка а второй выход - с управляющим входом аналогового переключателя, второй вход которого подключен к выходу аналогового вычитателя, первый вход которого является шиной опорного напряжения, второй вход соединен, с выходом аналогового ключа, управляющий вход которого подключен к выходу четвертого элемента И, выход первого элемента И соединен со счетным входом второго младшего разряда первого счетчика, счетный вход первого младшего разряда которого соединен с выходом первого элемента ИЛИ, а выходы разрядов являются выходной шиной результата преобразования, отличающийся тем, что, с целью повышения точности преобразования, в него введены второй и третий одновибраторы, триггер синхронизации, пятый, шестой, седьмой, восьмой и девятый элементы И, третий и четвертый элементы ИЛИ, выход последнего из которых подключен к второму входу триггера такта, первый вход подключен к выходу пятого элемента И и объединен с первыми входами первого и восьмого элементов И, а остальные входы - к выходам соответствующих разрядов первого счетчика, вход управления вычитанием которого соединен с выходом восьмого элемента И, второй вход которого подключен к выходу первого элемента ИЛИ, а третий вход подключен к первому выходу второго одновибратора, второй выход которого соединен с вторым входом третьего элемента И, а вход - с выходом первого элемента И, второй вход которого объединен со счетным входом реверсивного счетчика и подключен к выходу седьмого элемента И, первый вход которого соединен с выходом преобразователя напряжения в частоту импульсов, второй выход триггера такта соединен с вторым входом второго элемента ИЛИ и объединен с

первыми входами пятого, девятого и шестого элементов И, второй вход последнего подключен к выходу нуль- органа и объединен со счетным входом триггера синхронизации, первый выход которого соединен с вторым входом четвертого элемента И, а вход сброса соединен с выходом первого одновибра тора и объединен с первым входом третьего элемента ИЛИ, второй вход которого подключен к выходу четвертого элемента И, остальные входы - к выходам соответствующих разрядов реверсивного счетчика, а выход - к первому входу триггера цикла, второй вход которого соединен с выходом шестого элемента И, третий вход вертого элемента И подключен к первому выходу триггера такта и объединен с управляющим входом блока синхронизации, импульсный вход которого соединен с выходом Аормирователя импульсов и объединен с вторым входом девятого элемента И, выход которого подключен к счетному входу старшего разряда второго счетчика, выход третьего одновибратора подключен к второму входу первого элемента ИЛИ, а выход - к выходу третьего элемента И, третий вход которого соединен с вы-

о

5

0

5

0

ходом триггера цикла, объединен с вторым входом седьмого элемента И и является выходной шиной готовности результата преобразования, а второй, вход пятого элемента И подключен к второму выходу триггера синхронизации.

Фиг.1

Фиг. 2.

етпш:

51-I

ftrt.3