Интегрирующий аналого-цифровой преобразователь Советский патент 1990 года по МПК H03M1/52 

Изобретение относится к импульсной технике, в частности к преобразователям напряжения в цифровой код с интегрированием входного и опорного напряжения.

Цель изобретения - повьшение точности.

На фиг.1 приведена функциональная схема преобразователя; на фиг.2 - функциональная схема блока управления; на фиг.3 - временные диаграммы работы преобразователя; на фиг.4 - функциональная схема делителя частоты.

Преобразователь содержит шины 1-3, интегратор 4, например, выполненный

на операционном усилителе с конденсатором в цепи обратной связи, сумматор 5 на двух резисторах, ключи 6-9, у которых замыкаются вход и выход при наличии сигнала на управляющем входе, переключатель 10, источник 11 опорного (отрицательного) напряжения, аналоговый 12 инвер тор, например, выполненный на суммирующем усилителе, нуль-орган 13, компара- тор 14, цифроаналогрвый преобразователь 15 (ДАЙ),блок 16 синхронизации, счетчики 17-20, делитель 21 частоты, элементы И 22-24, элементы ИЛИ 25-28, блок 29 управления. Блок .управления (фиг.2) содержит дешифратор 30,

4

а со ел

управляемый генератор 31 импульсов, формирователи 32 и 33 импульсов, элемент И ЗА, элементы ИЛИ 35,36, счетчик 37, выполненный двзгхразрядным, шину 38 установки в нуль. На чертеже также обозначено: напряжение 39 (импульс)на выходе блока 16; импульсы 40 - на выходе переполнения счетчика 17, импульсы 41 (сигналы) на смежном входе счетчика 17; импульсы 42-45 (сигналы) на п(грвом, четвертом, тртетьем и втором выходах де- I шифратора 30; импульсы 46 (сигналы)

10

Величина Т определяется емкостью Nfl счетчика 17 и частотой fo генератора 31, который включается в работу со снятием сигнала 42. Его импульсы поступают через элементы И 23 и ИЛИ 27 на счетный вход счетчика 17, формирующего через TO импульсы 40 переполнения, подсчитываемые счетчиком 19 с емкостью PQ,B котором фиксируется число р этих импульсов за I, При Т,7 TO интегрирование U может привести к изменению выходного напряжения Uy интегратора 4, превышана выходе нуль-органа 13, импульсы 47 15 ющему его рабочий диапазон (0-Uo),

20

на выходе компаратора 14; импульсы 48-50 сигналы на выходах элементов ИЛИ 35,26 и формирователя 32.

Делитель частоты (фиг.4) содержит ;элемент ИЛИ 51, счетчик 52, элемент ; ИЛИ 53, элемент И 54, формировате- : ли 55 и 56 импульсов. : Аналого-цифровой преобразователь работает следующим образом.

После выключения питания и устгшов- ки в исходное состояние блока 29, в котором путем подачи сигнала на шину 38 устанавливается О код в счет- : чике 37, и блока 16, последний форми- ЗО рует импульс 39 по сигнгшам внешней синхронизации или путем выделения периодов помехи, наложенной на входной Uy преобразуемый сигншт. Первый из этих импульсов устанав шваеГ О код 35 в счетчике 17, а также в счетчиках 19 и 20, проходя через И 24, и 1 код в счетчике 37, проходя через элемент ИЛИ 36. Для этого импульса по О коду счетчика 37 дешифра- 40 тор 30 на первом выходе формировал сигнал 42, который поддерживал в исходном состоянии интегратор 4, шунтируя с помощью ключа 9 его интегрирую- шяй конденсатор. По коду 1 счетчи- 45 ка 37 дешифратор 30 не формирует сигнал 43, который замыкает ключ 6, подключая и., на вход сум:м:атОра 5 и дано зто недопустимо. Поэтому в АЦП величина Uu контролируется с помощью компаратора 14, формирующего импульсы 47 в момент достижения Ui, UQ . Импульсы 47 через элемент ИЛИ 25 с помощью ключа 9 разряжают конденсатор интегратора 4, обеспечивая 11 О, а их число q подсчитывается счетчиком 20, имеющим емкость не менее р, 25 если в AUnUx- и и его интегрирова-

ние за TO приводит

к и„

и,

За время интегрирования U изменение и должно составить величину: Uu kUx(pTo+ Тр) (k - коэффициент интегратора 4), которая в АЦП представлена в виде Uy qUg + Uj , где Q

на выходе инсчетчика 19

NP kUo-7 - напряжение

0

тегратора 4 в конце Т В течение Т , код р используется для корректировки текущего значения Np и формирования вели КТ

чины п в счетчике 18. Для этоР

го с помощью делителя 21 выполняется уменьшение частоты f в р раз и формирование fp , импульсы которой

через элемент И 22 поступают в счетчик 18. В этом счетчике каждый импульс 40 через Т устанавливает О код, а текущее значение Тр внутри каждого интервала Т, преобразуется

лее к интегратору 4, ключ 9 размыкает- в кодп путем подсчета импульсов fp за

М л

ся и начинается первый такт Т, интег- JQ рирования. Длительность Т задается блоком 16, она равна интервалу времени между первым и вторым импульсами 39 и может принимать значения в диТр:п Тр

f

Ыр

который фиксируf р

ется в момент окончания Т.

При коде р О, т.е. в течение пер

Т,

вого интервала Т(, вначале

Ч«

на выапазоне от Т рТ,, до Т рТ

+ Т

Р

где

т - ° о fo

55

Тр О (N,- 1),

1-(р,-1),

NP где Т -- ---.

и

ходе делителя 21 импульсы f отсутствуют.

В качестве делителя 21 может быть использована схема на фиг.4. На первый вход элемента И, который являет

Величина Т определяется емкостью Nfl счетчика 17 и частотой fo генератора 31, который включается в работу со снятием сигнала 42. Его импульсы поступают через элементы И 23 и ИЛИ 27 на счетный вход счетчика 17, формирующего через TO импульсы 40 переполнения, подсчитываемые счетчиком 19 с емкостью PQ,B котором фиксируется число р этих импульсов за I, При Т,7 TO интегрирование U может привести к изменению выходного напряжения Uy интегратора 4, превышающему его рабочий диапазон (0-Uo),

ющему его рабочий диапазон (0-Uo),

но зто недопустимо. Поэтому в АЦП величина Uu контролируется с помощью компаратора 14, формирующего импульсы 47 в момент достижения Ui, UQ . Импульсы 47 через элемент ИЛИ 25 с помощью ключа 9 разряжают конденсатор интегратора 4, обеспечивая 11 О, а их число q подсчитывается счетчиком 20, имеющим емкость не менее р, если в AUnUx- и и его интегрирова-

ние за TO приводит

к и„

и,

За время интегрирования U изменение и должно составить величину: Uu kUx(pTo+ Тр) (k - коэффициент интегратора 4), которая в АЦП представлена в виде Uy qUg + Uj , где Q

на выходе инсчетчика 19

NP kUo-7 - напряжение

0

тегратора 4 в конце Т В течение Т , код р используется для корректировки текущего значения Np и формирования вели КТ

чины п в счетчике 18. Для этоР

го с помощью делителя 21 выполняется уменьшение частоты f в р раз и формирование fp , импульсы которой

через элемент И 22 поступают в счетчик 18. В этом счетчике каждый импульс 40 через Т устанавливает О код, а текущее значение Тр внутри каждого интервала Т, преобразуется

в кодп путем подсчета импульсов fp за

в кодп путем подсчета импульсов fp за

М л

Q

Тр:п Тр

f

Ыр

который фиксируf р

ется в момент окончания Т.

При коде р О, т.е. в течение перТ,

вого интервала Т(, вначале

Ч«

на вы5

ходе делителя 21 импульсы f отсутствуют.

В качестве делителя 21 может быть использована схема на фиг.4. На первый вход элемента И, который являет5

ся nepBbiM входом делителя, подаются и

пульсы f, , которые через него приход при всех кодах, записанных в этот счетчик, кроме О кода. При коде р импульсная fe уменьшается до О, в этот момент сигнал с сумматора 5 снимается. По его отрицательному перепаду запускаются последовательно формирователи 55 и 56. Импульсы первого из них являются выходными импулсами делителя 21, они имеют частоту

f о fp а импульсы формирователя 5

записы вгют в счетчик 52 делителя код р из счетчика 19 для выполнения нового преобразования fj, в «.

Синхронизация работы делителя осуществляется путем подачи импульса на его третий вход, по которому сначала устанавливается О код, а затем запсывается код р в счетчике 52.

Первый такт работы АЦП заканчивается по второму импульсу 39, который проходит через элемент ИЛИ 36 (импульсы 41) и устанавливает код 2 в счетчике 37, а соответствуюпщй ему сигнал 44 с дешифратора 30 подключает с помощью переключателя 10 напряжение - Ud. с выхода источника 11 на входы ЦАП 15 и ключа 7. Одновременно с сигналом 44 сформированный на его основе сигнал 48 подключает с помощью ключей 7 и 8 напряжение - UQ и -U, с выхода ЦАП 15 на вход сумматора 5 и далее к интегратору 4. Величина - и, получена в результате преобразования ЦАП 15 кода n:-U п(- Л), где Д - квант ЦАП, равный

NO

кванту АЦП

В течение сигнала 44 выполняется второй такт работы АЦП, в котором напряжение Ц интегратора 4 разьштетри- руется напряжением -Up -(Ug+ U) до нуля, фиксируемым с помощью нуль- органа 13,

Положительным перепадом его выТ, если UK и или q случае к окончанию Т. на выходе нул органа 13 будет присутствовать сигн д5 поэтому с появлением сигнала.44, ко рый пройдет через элемент И 34, фор мирователь 33 сработает и его импул , установит код 3 в счетчике 37. Снят сигнала 44 передается на вьпсод элем

ходного сигнала 46, проходящего через 50 из-за отсутствия сигналов на

элемент И 34, открытый сигналом 44, запускается формирователь 33. Его выходной импульс проходит через элемент ИЛИ 36 и устанавливает в счетчидругих его входах с выходов счетчика 20, -так как q О, это запускает формирователь 32, по импульсу котор го преобразование заканчивается. Ан

ке 37 код 3, соответствующий которому логично заканчивается преобразование сигнал 45 ,с дешифратора 30 переводит и во втором случае при q О после АЦП на работу в третьем такте. Измене- выполнения Тл и снятия сигнала 44. ние выходного напряжения интеграто- Получаемый в результате преобразо- ра 4 за Т. равно U2. kUpT2 U . вания код х записывается в счетчи- .

В течение Т

рование +U

0

5

0

выполняется интегри- р , которое снимается с выхода интегратора 12 и передается через переключатель 10 (так как сигнал 44 отсутствует) на выходы ЦАП 15 и ключа 7. В АЦП должен быть использован ЦАП, работающий с положительным и отрицательным опорными напряжениями.

Интегрирование +Uр будет выполняться до срабатывания компаратора 14 аналогично работе в Т . Импульсы 47 разряжают кондерсатор интегратора 4 и вычитаются из кода q, полученного за Т в сче тчике 20, т.е. на его входе управления вычитанием подан сигнал 45. Через q импульсов в счетчике 20 будет получен О код, что соот- вествует снятию сигнала с выхода элемента ИЛИ 26 и запуску формирователя 32, выходной импульс которого устанавливает в счетчике 37 код 0. На этом заканчивается Т и процесс преобразования, при этом сигнал 42 через , элемент ИЛИ 25 и ключ 9 поддерживает исходное состояние интегратора 4 и выключает из работы генератор 31..

За Т- выходное напряжение И-,, интегратора изменялось q раз по 0- з qUo kUpT,.

В течение Т Т на вход счетчика 17, в котором перед началом Т вторым импульсом 39 был установлен О 5 код, через элемент ИЛИ 27 поступают импульсы fр с выхода делителя 21 и форьшруют в нем результат преобразования X Tjj fr

5

0

-р

40

В АЦП преобразование может закон- осле с О или q 0. В пер.вом

читься сразу после окончания Т, или

Т, если UK и или q случае к окончанию Т. на выходе нуль- органа 13 будет присутствовать сигнал д5 поэтому с появлением сигнала.44, который пройдет через элемент И 34, формирователь 33 сработает и его импульс , установит код 3 в счетчике 37. Снятие сигнала 44 передается на вьпсод элемендругих его входах с выходов счетчика 20, -так как q О, это запускает формирователь 32, по импульсу которого преобразование заканчивается. Ана7 isg iiegs

ке 17 и передается на вьосодные шины 3, о готовности этого результата сигнализирует снятие сигнала 48. Код х

J5 п

формируется за время Т , величина торого определяется из условия раства изменений вькодного напряжен

в течение Т, и Tgj или Тд4- Тр)

l (РТ

Л.е. и, kUyT,,,

U2+ и откуда

0+ Тр).

25 Up

I Подставляя значения

,получают Т представляя и и U

и с

Р с lbi No+Np) (Uc+Uj -f/

и

или

а п О

через

.+ N

N

Р

к к через

получают р

А f

13

)

(NO Л + n Л ) f о и, хд

Поэтому результат преобразован

с учетом, что f

рРр

будет рав

JC T,j,f

Их , Р .. .их

-T- : Гв ре

зультате преобразования U получен код X, имеющий квант по напряжению

Uo ( --- , и результат преобразования

не содержит составляющих погрешность от изменения времени Т, Т ния Uy,так как в выражении для х отсутствуют параметры р и Тр. В известном преобразователе уменьшение Тц неизбежно приводит к увеличению погрешности в результате преобразова ния из-за увеличения достоверной величины кванта. Если квав:т А и относительная погрешность 0 соответствует времени измерения Т , то при Т

Т. из-за увеличения относительU-

Ор значен

т.е. отМ иА

НОЙ погрешности и (Т) кванта будет А Т) носительная погрешность увеличилась в р раз. В предложенном АДП этргс не

происходит при Ту Т с((Тд) 4 т.е. точность повышена ь р раз. .Так как величина достоверного кванта i остается одинаковой во всем диапазоне изменения. Т ц - Tj, , то точность работы АЦП повышена для всех значений Т ц этого диапазона.

Формула изобретения

1. Интегрирующий аналого-цифровой преобразователь, содержащий первый счетчик, информационные выходы которого являются выходной шиной, первый

0

0

25

30

-

ключ, информационный вход которого объединен с первым входом блока синхронизации и является входной шиной, уп- равляюш 1Й вход соединен с первым выходом блока управления, а выход .объединен с выходом второго ключа и соединен с первым входом сумматора, второй вход которого соединен с выходом третьего ключа, управляющий вход которого объединен с управляющим входом второго ключа и соединен с вторым выходом блока управления, информационный вход третьего ключа соединен с 5 первым выходом цифроаналогового преобразователя, входы которого соедине-. ны с соответствующими выходами второго счетчика, нуль-орган и источник опорного напряжения, вход последнего и первый вход нуль-органа объединены и являются шиной нулевого потенциала, выходы нуль-органа и блока синхронизации соединены соответственно с первым и вторым входами блока управления, . второй вход нуль-органа через интегратор соединен с выходом сумматора, о тлич ающий ся тем, что, с целью повьш1ения точности, в него введены третий и четвертый счетчики, делитель частоты, компаратор, аналоговый инвертор, четвертый ключ, три элемента И, четыре элемента ИЛИ и переключатель, первый информационный вход которого объединен с входом аналогового инвертора, первым входом компаратора и соединен с выходом источника опорного напряжения, второй информационный вход соединен с выходом аналогового инвертора, а выход переключателя объединен с вторым выходом цифроаналогового преобразователя и соединен с информационным входом второго ключа, управляющий вход переключателя объединен с первым входом первого элемента ИЛИ и соединен с третьим выходом блока управления, вторые входы первого элемента ИЛИ соединены соответственно с выходами третьего счетчика, а выход соединен с третьим входом блока управления, четвертый выход которого соединен с входом вычитания третьего счетчика, счетный вход которого объединен с первым входом второго элемента ИЛИ и соединен с выходом компаратора, вход установки

объединен с входом установки в четвертого счетчика и соединен с выходом первого элемента И, первый вход которого объединен с вторым

40

45

50

55

в О

О

Фие.З

/r

Изобретение относится к импульсной технике и может быть использовано в устройствах сбора аналоговой информации систем контроля и управления технологическими процессами. Изобретение позволяет повысить точность преобразования. Это достигается тем, что в устройство, содержащее интегратор, три ключа, сумматор, нуль-орган, источник опорного напряжения, два счетчика, цифроаналоговый преобразователь, блоки синхронизации и управления, введены компаратор, аналоговый инвертор, переключатель, четвертый ключ, третий и четвертый счетчики, делитель импульсов, три элемента И, четыре элемента ИЛИ, благодаря которым в АЦП независимо от времени преобразования обеспечивается одинаковая величина кванта преобразования и тем самым повышается точность. 1 з.п. ф-лы, 4 ил.

НодР