Способ аналого-цифрового преобразования и устройство для его осуществления Советский патент 1990 года по МПК H03M1/48 

Изобретение относится к электроизмерительной технике, может найти применение в измерительных устрой- .ствах для преобразования постоянного напряжения в цифровой код.

Цель изобретения - повышение точности преобразования.

На фиг.1 представлена периодическая последовательность импульсных сигналов (а - исходная, б - после

исключения постоянной составляющей,. в - преобразованная)5 на фиг,2 - зависимость длительности импульса положительного опорного сигнала от

входного измеряемого напряжения; на фиг.З - структурная схема устройства реализугацего способ; на фиг,А - блок .исключения постоянной составляющей; на фиг,5 - временные диаграммы од- ного цикла аналого-цифрового преобразования; на фиг,6 и 7 - временные диаграммы процесса преобразования

вх

соответ-

&х ственно.

Способ осуществляют следующим образом,

Из входного сигшша и двух опор - нык напряжений формируется с помощью коммутатора-мультиплексора импульс- ная периодическая по ел ед о ват ел кость отрицательШ)й опорный источник, положительный опорный источник, входное измеряемое напряжение в следовательность состоит из двух ров ных полуциклов Топ и Тдх(фиг,1а) В первом полуцикле Т действуют сигналы от опорных источников напряже- ний, сначала отршдательный - U , затем положительный +11,. Во вто-

ром полуцикле Т) измеряемое постоянное напряжение и gj( (на фиг, 1 и. принято условно положительным). Опорные сигналы- U of, и Ugn равны по вeличIiнe и противоположны по

знаку Затем в сфор унрованной последовательности импульсных сигналов . исключается постоянная составляющгая, что приводит к сдвигу этой последовательности вниз И.ПИ вверх относит(2ль но нулевой линии (фиг,16), Ввиду того, что постоянная составляющая равна нулю сумма вольт-секундных площадей импульсов одной полярности S и Sg будет равна гшощади са другой полярности S ,, т,е, S + + Sj S (фиг, 1б)„ Дальнейшее преобразование после,цовательности импульсных сигналов производится путем изменения времени подключения на вхо преобразования положительного опорного сигнала +UQP (в дальнейшем, широтно-импульсного сигнала ,)

и одновременно при неизменной величине длительности полуцикла Т , будет меняться длительность отрицательного

опорного сигнала

и

оп

Изменение

длительности Т.,убудет продолжаться

до момента получения площади Sa, равной нулю (фиг, 1в),что является, условием правильного преобразования входного измеряемого напряжения Ug, в длительность импульса опорного напряжения положительной полярности ... В преобразованной последовательности импульсов S Sg и согласно фиг,1в (/- оп/+и,,)(То„- Т /+Uon/-Uex)

т можно записать

-Uen 00 то

ю

fS

CUon+ ив,)(Топ- ,) (Uon-Uex)Ti,Hc

Ь)ИС

Uon+ и&х 2U

on

on

в общем случае, для входных значений ±и gji; последняя формула принимает вид

УОП tUBX

2U

on

on

Таким образом, между временем Т

lilHC

подключения на вход положительного опорного Hcto4HHKa +U(,o и входным измеряемым напряжением U д существует линейная зависимость, представленная на фиг,2, для которой при Ue,x -Uor) О при О Тшцс

Tonfi при UE,K +U

on

ыис

- nrt

on

Длительность Т,, . преобразованная в код (например, подсчетом числа импульсов), есть представление искомой величины в цифровом смещенном коде, в котором старший разряд является знаковым, I

Таким образом, над входной анало - говой величиной выполняются следующие операции; формирование последовательности - U(5 ( t-U eif из двух равных полуциклов Тд„ и в первом полуцикле -Upj, , +Uon во втором полуцикле tUgjjf; исключение постоянной составляющей из этой последовательности; анализ амплитуды сигнала во втором полуцикле Т на нуль; изменение времени подключения -Ugp, +U(,j, так, чтобы сигнал во втором полуцикле после исключения в нем постоянной составляющей стал равен - нулю (условие правильного преобразования); в этом случае длительность действия +Vgj информативна и преобразовывается в цифровой код (например, подсчетом числа импульсов этллон ной частоты)о

Устройство для осуществления способа содержит (фиг.З) источники 1 и 2 опорного напряжения положительной и отрицательной полярности соответ- ственно, входную шину 3 измеряемого напряжения, аналоговый мультиплексор 4, блок 5 исключения постоянной составляищей, аналоговый компа- р.атор 6 (элемент сравнения с нулем), реверсивный двоичный счетчик 7, двоичный счетчик 8, цифровой компаратор 9, генератор 10 опорных импульсов, триггеры 11 - 13, выходную шину 14, шины 15 и 16 на- чальной установки и перегрузки соответственно.

Работа й1налого-цифрового преобразователя поясняется временной диаграммой, приведенной на фиг,5 (один цикл преобразования).

Для приведения отдельных элементов аналого-цифрового преобразователя в исходное состояние на устройство по шине 15. поступает чальная установка. При ются следующие действия сброс триггеров 11 - 13 входу R; аналоговый мультиппексор 4 переходит в состояние Включено по входу управления 3; двоичный счетчик 8 сбрасывается в нуль по входу R; в двоичный реверсивный счетчик 7 по входу предварительной установки РЕ с параллельных входов (микросхема К564ИЕ1) заносится цифровой код с единицей в старшем разряде 1000,0000,

0000(для одиннадцатиразрядного преобразователя + знак), являющийся цифровым эквивалентом входного напряжения, равного нулю, выраженный в смещенном коде, где старший разряд знаковый.

Сигнал Начальная установка должен обязательно формироваться после включения аналого-цифрового преобразователя при подаче на него питания и после установки триггера 13 в единицу.

Цикл работы аналого-цифрового преобразователя является периодическим и включает в себя два равных полуцикла, В течение первого полуцикла на вход блока 5 исключения постоянной составляющей через аналоговый мульти- плексор 4 коммутируются источники

1и 2 опорного напряжения, в течение второго полуцикла на вход блока 5 подается входное измеряемое напрясигнал На- этом выполня- ; происходит в нуль по

5

0

жение по шине 3, Источники 1 и 2 опорного напряжения равны по величине и противоположны по знаку. Их величина определяет верхний предел измеряв .емого напряжения. Последовательность коммутации входных источников напряжения и продолжительность и;х подключения на вход блока 5 обеспечивают прсQ тупающие на управляющие входа аналогового мультиплексора 4 выходные уровни с триггеров 11 и 12, Двоичный счет- чик 8 производит прямой счет импульсов, поступающих от генератора 10,

В начале первого полуцикпа после окончания сигнала Начальная установка на счетный вход С двоичного счетчика 8 начинают поступать тактовые импульсы с генератора 10, при этом содержимое счетчика последовательно увеличивается, Нулевое состояние триггера 1 указывает на первый полуцикл Т gf,, во время которого на вход блока 5 исключения постоянной

5 составляю1цей коммутируются источники

1и 2 опорного напряжения, В начале

на вход блока 5 через аналоговый муль- типлексор 4 поступает сигнал от от- рицательного источника 2 опорного 0 напряжения (-U;,,) со гласно сигналам, поступающим на управляющие входы 1 и

2мультиплексора. На управляющий вход 1 поступает сигнал с прямого хода триггера И полуциклов. На управляю1чий вход 2 поступает сигнал с прямого выхода триггера 12 (таким образом, состояние управляющих вхо- i- дов мультиплексора 00).Код двоичного счетчика 8 сравнивается цифровым компаратором 9 с кодом двоичного реверсивного счетчика 7, При достижении равенства состояний счетчиков цифровой компаратор формирует сигнал 1, поступающий на вход I триг5 гера 12, и по переднему фронту очередного тактового импульса с генератора 10, поступающему на вход С « синхронизации, триггер 12 переходит : в состояние 1, Тем самым аналоговый

0 мультиплексор (Упр,1, Упр,) коммутирует на вход блока 5 исключения постоянной составлякщей сигнал от положительного источника 1 опорного напряжения (+Uon) После переполнения .

5 двоичный счетчик 8 сбрасывается в i нуль и с выхода переполнения Р устанавливает триггер 1 1 по счетному входу Т в единицу. Сигналом с прямого выхода триггера 1 1 триггер 12 уста5

0

навливается в нуль по первому входу R- и поддерживается в нулевом состоят НИИ в течение всего второго полуцикла независимо от сигнала с цифрового компаратора. Двоичный счетчик 8 начинает счет от нуля. Начинается втрой полуцикл TBX в течение которого на вход блока 5 исключения постоянно составляющей подается подлежащее изм рению входное напряжение ill g,y (Упр,1 Упр.), Во втором полуцикле аналоговый компаратор 6 фиксирует отклонение от нуля в -f- (-) поступающий на него с блока 5 уровень сигнала и выдает потенциальный логический с; ;гнал на вход направления счета +/- двоичного реверсивного счетчика 7 для уменьшения увеличения) его состояния. В момент второго переполнения двоичного счетчика триггер 11 переходит в состояние нуль и по перепаду с его инверсного выхода, пос- тупайщему на счетный вход С двоичного реверсивного счетчика 7, изменяет состояние последнего на один младший разряд в зависимости от выходного состояния аналогового компаратора 6. В результате одного цикла в двоичном реверсивном счетчике 7 фиксируется код, отличающийся на один младший разряд от предьщущего кода, И описанная последовательность повторяется.

Изменение состояния реверсивного счетчика в сторону уменьшения ( +и) или увеличения (Ue,) на один- младший разряд после каждого цикла работы аналого-цифрового преобразователя происходит до момента, когда напряжение на входе аналогового компаратора во втором полуцикпе станет равным нулю. Состояние.двоичного реверсивного счетчика является представлением длительности Т в цифровом смещенном коде, где старший разряд является знаковым,

В последующих циклах работы аналого-цифрового преобразователя происходит слежение за изменением входного измеряемого напряжения. Этап слежения заключается в следующем. Если произойдет изменение входного сигнала Ugj; в целом, во втором полуцикле Tgx произойдет отклонение от нуля напряжения на выходе блока 5 исключения постоянной составляющей, входе аналогового компаратора 6, Выходной логический сигн;ш с аналого10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

вого компаратора 6 будет указывать на то, в какую сторону (+ или -) произошло изменение Ug,; и в соответствии с этим будет меняться состояние двоичного реверсивного счетчика 7 перепадами, поступающими от триггера 11, Цифровой компаратор будет, менять время включенного состояния триггера 12 и, следовательно, время подключения на вход блока 5 исключения постоянной составляющей положительного источника 1 опорного напряжения -и одновременно отрицательного источника 2 опорного напряжения, Эт-о приведет к плавному сдвигу импульсной последовательности вниз или вверх относительно нулевой линии. Изменение длительности подключения на вход опорных сигналов будет продолжаться до тех пор, пока амплитуда сигнала на входе аналогового комцара- тора 6 во втором полуцикле будет снова равна нулю. При этом состояние ре- версивного счетчика есть искомое представление входной величины в двоичном смещённом коде и длительность подключения +U(jj, на вход линейно связана с TJg)(,

Таким образом, циклическая работа аналого-цифрового преобразователя заключается после действия сигнала Начальная установка в установле-- НИИ выходного кода, пропорционального входному напряжению Ug)(, и в дальнейшем в слежении за изменением входного напряжения. Количество лов, необходимых для получения кода, пропорционального преобразуемой величине, зависит от величигы скачка Ugy. Для скачка AU0 количество цик-- лов определяется выражением

йПьу ймл

где - напряжение младшего разряда

Цифрового кода.

На фиг,6 приведена временная диаграмма на входе и выходе блока 5 лючения постоянной с оставляклцей при изменении длительности подключения на вход источников опорного напряжения после действия сигнала Начальная установка до момента установления соответствия между , и длительностью (напряжение на входе аналогового компаратора равно нулю во втором полуцикле), если Upx

- +U. Диаграмма для случая ъх приведена на фиг, 7, В устройстве .- конкретный анализ амплитуды сигнала без пострянной составляющей на входе аналогового компаратора во втором по луцикле и изменение длительности подключения опорных источников происходит так: если амплитуда положи-.- тельная, то время подключения +Vд„ увеличивается и, если амплитуда отрицательная, то. время подключения +Uon уменьшается.

В устройстве аналого-цифрового преобразователя применен блок искпю- чения постоянной составляющей фиг.4 на основе RC-цепи, который представлет собой усилитель (или повторитель) импульсного сигнала с исключением в выходном сигнале постоянной состав- ляющей и вносящий минимальные искажения в форму передаваемого и.мпульса. Передача с минимальными искажениями импульсного сигнала через блок исключения постоянной составляющей должна обеспечиваться применением операционного усилителя ОУ с большой скоростью нарастания выходного сигнала (фронт и срез импульсного сигнала) и соответствугацим выбором RC-цепи

(спад вершины импульсного сигнала). Цепи коррекции ОУ должны быть подобраны на отсутствие выбросов напряжения в сигнале.

В конкретной разработке аналого- цифрового преобразователя применен ОУ 544УД2А с минимальной скоростью нарастания 30 в/мкс (Unj,,- 12В), RC-цепь выбирается из относительного спада вергаины импульса .

Для одиннадцатиразрядного аналого- цифрового преобразователя (12-й разряд знаковый)

2048

Тц1

V м.

2 RC

JQ

)5 2025 30

0

35

постоянной составляющей с минимальным сколом вершины импульсов. С другой стороны, при уменшении длительности полуциклов исходят из быстродействия микросхем, из которых состоит устройство.

Использование изобретения позволяет повысить точность преобразования. В известных аналого-цифровых преобразователях за счет неидеальности свойств отдельных узлов присутствует аддитивная составляющая систематической погрешности, погрешность сдвига сдв Ввиду того, что в предлагаемом устройстве имеется блок исключения постоянной составляющей, сказывается на точности измерения, так как в сравнении на аналоговом компараторе участвует только переменная составляющая сигналов. В этом случае погрешность нуля преобразователя в целом состоит из напряжения смещения компаратора и . его температурного дрейфа, что оказывает меньший вклад в погрешность преобразования. На погрешность преобразования не влияет коэффици- ент передачи измерительного тракта, что важно при измерении малых сигналов. При зтом нет необходимости в дополнительной коррекции усиления измерительного тракта. Не гувствитель- ность преобразователя к коэффициенту , передачи следует из формулы преобразования входного сигнала в длительность импульса-. Если входные сигналы подвергаются усилению в К раз, то в этом случае формула преобразования принимает вид

г 5iUon± Uex)

ыис 2К П

- on

on

или

45

Т „ -ь-ис 2и,„ .

Изобретение относится к электроизмерительной технике и может найти применение в измерительных устройствах для преобразования постоянного напряжения в цифровой код. Изобретение позволяет повысить точность аналого-цифрового преобразования. Это достигается тем, что в способе аналого-цифрового преобразования, включающем преобразование измеряемого и двух опорных, равных по величине и противоположных по знаку, напряжений в периодическую последовательность импульсов, формирование выходного временного интервала, заполнение его импульсами эталонной частоты, в периодической последовательности импульсов, образованной двумя равными полуциклами, причем в первом полуцикле действуют источники опорных напряжений в последовательности отрицательный источник - положительный источник, а во втором полуцикле - измеряемое напряжение, изменяют длительность импульса положительного опорного сигнала при сохранении длительности полуцикла, исключают постоянную составляющую, анализируют амплитуду сигнала во втором полуцикле и в момент равенства нулю амплитуды сигнала во втором полуцикле преобразуют длительность импульса положительного опорного сигнала в цифровой код. Устройство для осуществления способа содержит аналоговый компаратор, генератор опорных импульсов, аналоговый мультиплексор, реверсивный двоичный счетчик, источник опорных напряжений положительной и отрицательной полярностей, цифровой компаратор, три триггера, двоичный счетчик, блок исключения постоянной составляющей, шину начальной установки. 2 н.п. ф-лы, 1 з.п. ф-лы, 7 ил.

Предварительное усиление сигнала выполняется для повьш1ения точности работы аналогового компаратора. Коэффициент усиления должен выбираться таким, чтобы усиление сигнала проходило в линейной области. Длительность полуциклов конкретно определят ют из следующих соображений. С одной стороны, при увеличении длительности исходят из условия передачи импульсных сигналов через блок исключения

Следовательно, информативная длительность выходного импульса не зави- сит от величины усиления (нулевой метод). В связи с этим мультиплика-- тивная составляющая систематической погрешности преобразования зависит только от стабильности абсолютных величин опорных источников напряже- НИН и не зависит от коэффициента передачи измерительного тракта. Кроме того, на погрешности преобразования не сказываются медленные изменения

частоты опорного генератора, так как в этом случае пропорционально меняются и T..), т.е. остается постоянным отношение Т,,,(./То(, .

Формула изобретения

2, Устройство для аналого-цифрово- го преобразования, содержащее аналоговый компаратор, генератор опорных импульсов, аналоговый мультиплексор, реверсивный дзоичный счетчик, источники опорных напряжений положительной и отрицательной полярности, выходы Которых соединен, с первым и вторым информационными входами ана логового мультиплексора, о т л и - чающееся тем, что, в него введены цифровой компаратор, три Триггера, двоичный счетчик, блок исключения постоянной составляющей, вход которого соединен с выходом

4Q jr п 25 зо .г.

45

35

0

5

аналогового мультиплексора, а выход - с первым входом аналогового компаратора, второй вход которого соединен с общей шиной, а выход аналогового компаратора соединен с входом направления счета, реверсивного двоичного счетчика, первый и второй входы цифрового компаратора соединены соответственно с первыми выходами двоичного счетчика и реверсивного двоичного счетчика, который является выходной шиной, а выход цифрового компаратора соединен с входом установки в 1 первого триггера, вход синхронизации которого объединен -со счетным входом двоичного счетчика и соединен с выходом генератора опорных импульсов, счетный вход реверсивного двоичного счетчика соединен с инверсным выходом второго триггера, прямой выход которого соединен с первым управляющим входом аналогового мультиплексора и первым входом уста-г новки в о первого триггера, выход которого соединен с вторым управ- ляющим входом аналогового мультиплек- сЪра, третий информационный вход которого является входной шиной, счет- ный вход второго триггера соединен с выходом переполнения двоичного счетчика, третий управляющий вход мультиплексора, входы установки в О двоичного счетчика второго и третьего триггеров, второй вход установки в О первого триггера, вход предварительной установки реверсивного двоичного счетчика являются шиной началь-т ной установки, выход переполнения реверсивного двоичного счетчика соединен с выходом установки в 1 третьего триггера, выход которого является шиной сигнала перегрузки. I

v

Ы

TU/UC

Фиг.1

-Uor.

lUonl-lUSxi I

Л

ion

ТциКАО.

0,5пнс.

Г1Ги.

..Кдгтъттпг.

- f atf- -Uon

ч и.

5 nil

-гн

. 5

ЬымЗ

Фиг Л

76к

-f