Интегрирующий аналого-цифровой преобразователь Советский патент 1991 года по МПК H03M1/52 

J1

Изобретение относится к измерительной технике и может быть, в частности, использовано при создании универсальных цифровых вольтметров.

Цель изобретения - повышение точности преобразователяо

На фиг о 1 представлена структурная схема устройства; на фиг„ 2 - воможный вариант электрической принци- пиальной схемы преобразователя временных интервалов в постоянное напряжение; на фиг с 3 - временные диаграм

мы, поясняющие работу устройства.

Устройство содержит интегратор- сумматор 1, выполненный на операционном усилителе 2, конденсаторе 3 и двух резисторах 4, 5, первый вход интегратора-сумматора 1 является вхоной шиной 6, компараторы 7, 8, источ ники 9, 10 опорных напряжений, переключатель 11, два D-триггера 12, 13, генератор 14 импульсов квантования, делитель 15 частоты, преобразователь 16 временных интервалов в цифровой код, D-триггер 17, RS-триггер 18, преобразователи 19, 20 временных интервалов в постоянное напряжение положительной и отрицательной полярности соответственно

Преобразователь 19 (Лиг. 2) выполнен, в виде диода 21, резистора 22 и двух конденсаторов 23, 24„

На фиг о За - работа устройства щш входном напряжении, равном нулю (); 36 - Зв -

Устройство работает следующим образом,,

Большинство функциональных узлов, показанных на фиг 1, можно свести в два укрупненных узла; интегратор- сумматор 1, переключатель 11, источники 9, 10; компараторы 7, 8, генератор 14, D-триггеры 12, 13, RS-триггер 18 представляют собой автогене- ратор импульсных колебаний, управляемый по частоте изменением постоянных напряжений противоположных полярностей на соответствующих входах компараторов 7, 8j делитель 15, D- триггер 17, преобразователи 19, 20 представляют собой устройство синхронизации частоты колебаний автогенератора с так называемой тактовой частотой, которая в заданное целое число раз меньше частоты генератора 14.

Начнем с рассмотрения работы автогенератора импульсных колебанийо

ю

5

0

5

5 0

5

0

0

5

Условно зададимся исходным состоянием одного из функциональных узлов, показанных на фиг„ 1, например, переключателя 11 и определим состояния других узлово Пусть переключатель 11 находится в положении а, показанном на фиг „ 1. Принимаем это положение за нулевое состояние„ В таком случае опорное напряжение +U0 положительной полярности с источника 10 поступает на второй вход интегратора-сумматора 1, вызывая ток через резистор 5о Этот ток и ток через резистор 4 от входного напряжения UBX заряжают интегрирующий конденсатор 3, в результате чего напряжение на выходе интегратора-сумматора 1 изменяется, стремясь к отрицательному пороговому напряжению -U.. срабатывания компаратора В В это время на выходах обоих компараторов 7 и 8 высокий потенциал (принимаем, что компараторы находятся в единичных состояниях). С учетом потенциалов на выходах компараторов 7, 8 на неинвертирующих выходах D-триггеров 12, 13 будут также высокие потенциалы (принимаем, что они тоже находятся в единичных состояниях). Перед этим срабатывали компаратор 7 и триггер 12, в результате к S-входу RS-триг- гера 18 прикладывался высокий потенциал и на неинвертирующем выходе этого триггера установился тоже высокий потенциал (принимаем, что RS- триггер 18 находится в единичном состоянии).

Указанные состояния функциональных узлов сохраняются до момента, в который изменяющееся напряжение на выходе интегратора-сумматора 1 сравняется с пороговым напряжением -Un срабатывания компаратора 8 В этот момент компаратор 8 срабатывает (на его выходе устанавливается нулевой потенциал), т.е, он переходит в нулевое состояние, вызывая (по приходу 1 с генератора 14 на С-вход D- триггера 13) переход D-триггера 13 тоже в нулевое состояние. В свою очередь приход 1 с инвертирующего выхода D-триггера 13 на R-вход RS- триггера 18 переводит последний в нулевое состояние, что в конечном счете вызывает перевод переключателя Ч в положение б„

В результате оперное напряжение на втором входе интегратопа-сумматоpa 1 скачкообразно изменяется от +Ug до -U0 и с этого момента времени начинается перезаряд интегрирующего конденсатора 3, напряжение на выходе интегратора-сумматора 1 начинает изменяться в сторону положительной полярности, стремясь к пороговому напряжению +Un срабатывания компаратора 7, компаратор 8 и D-триг- гер 13 возвращается в исходные (единичные) состояния, а RS-триггер 18 сохраняет новое (нулевое) состояние0

Б момент, в который изменяющееся напряжение на выходе интегратора- сумматора 1 достигнет порогового значения +Un, срабатывает компаратор 7, переводит D-триггер 12 в нулевое состояние, последний возвращает RS-триг- гер 18 в исходное (единичное) состояние, вызывая установление переключателя 11 тоже в исходное (нулевое) состояние, опорное напряжение на втором входе интегратора-сумматора 1 скачкообразно изменяется уже от -Uc до +иа начинается обратный перезаряд интегрирующего конденсатора 3, напряжение на выходе интегратора-сумматора 1 начинает изменяться в сторону отрицательной полярности, снова стремясь к пороговому напряжению -Un срабатывания компаратора 8, компаратор 7 и D-триггер 12 возвращаются в исходные (единичные) состояния - RS-триггер 18 сохраняет исходное (единичное) состояние.

Далее процесс автоколебаний повторяется, как описано, начиная с исходного состояния,

Очевидным условием обеспечения периодических перезарядов интегрирующего конденсатора 3 и поддержания таким образом непрерывных колебаний является периодическая смена направления тока в цепи с интегрирующим конденсатором 30 Этот ток складывается из двух токов: тока через резистор 4, вызываемого входным (преобразуемым) напряжением U, и тока через резистор 5, вызываемого опорными напряжениями +UQ и -U0, равными по значению, но противоположными по полярности, действующими поочередно, из-за чего второй ток также поочередно изменяет направление0 Для того, чтобы и суммарный ток заряда интегрирующего конденсатора 3 также поочередно (периодически) изменял направление, не уменьшаясь при этом до ну16

28204 ля,

необходимо, чтобы сила ока 1 через резистор 4, сопротивление которого , по абсолютному значению

I ТА| всегда была меньше абсолютного

5/ /

значения силы тока /Ij/ через резистор 5, сопротивление которого Rg-. Математически это условие обеспечения непрерывной работы автогенера IQ тора импульсных колебаний можно представить в виде неравенства:

M-lSfr-b/-/ /1 5 Нетрудно вывести аналитическое выражение для зависимости интервалов времени &t, и At2 перезарядов интегрирующего конденсатора 3 от порогово- . го напряжения -Un до порогового на20 пряжения +U- и обратно от +Un до Un соответственно, а также периода перезаряда ,+u.t2, от входного (преобразуемого) напряжения Ug. Ксполь- зуя уже принятые обозначения и вво25 дя новые, можно составить уравнение:

.К/ ,

где СЦ - емкость интегрирующего конденсатора 3;

/(/ абсолютные значения силы токов перезаряда интегрирующего конденсатора 3 на интервалах времени &t. и

30

5

0

it, соответственно.

5

Исходя из необходимости выполнения выше приведенного неравенства

/т /- /ив -/т

м -/R hib -/ R; /

принимаем

, W

w

Uo

Г9 -

Uo S

UB

ЙТ

U ex RT

Тогда

50

. 2Un-Cj u Co UBX. R5 R4

At.

2UU C

1 о ЙЈ1 Rf Ц

55

Вычислив их разность и сумму, можно найти отношение

4fcl.

A tt +Щ

из которого следует, что

, R v U6X uo R5 /U, +uta

Учитывая, что период автоколебаний

,+ut2,

R4

UW-U«

%

Из формул следует, что для получения информации о значении входного напряжения U вх (при работе ИАЦП в составе какого-либо измерителя) необходимо заранее знать значения опорного напряжения Uo и отношения сопротивлений , Rj резисторов 4, Ъ в процессе же преобразования необходимо сначала измерять интервалы времени &t( -, utj., а затем вычислять результат (при необходимости суммировать целое число раз для получения необходимой точности)0 Эти операции частично осуществляются в преобразователе 16 временных интервалов в цифровой код, а окончательно - во внешних устройствах, совместно с которым ИАЦП используется.

Выражение для зависимости периода Т одного колебания автогенератора импульсных колебаний или периода автоколебаний от входного напряжения

U

2

ьх

21.

Uo

C3.RS

C1-gf

ИГ

Rr

из которого следует, что минимальное значение периода будет при и будет увеличиваться по мере возрастания UB)( независимо от его полярности, стремясь к бесконечности при приближении к UO/RЈ, Из-за такой зависимости периода Т автоколебаний от входного напряжения Ilex оказывается невозможным при любых значениях U 6X совместить целое число таких периодов (или как принято вышечастных циклов) с интервалом интегрирования входного напряжения (полным циклом), длительность которого выбирается равной или кратной периоду переменного напряжения помехи Эта несинхронность, как указывалось выше, и обуславливает одну из составляющих погрешности таких преобразователей - от асинхронности частных и полных циклов преобразования.

Б данном устройстве обеспечивается синхронизация частных и полных цик0

5

0

5

0

лов преобразования за счет автоматической перестройки пороговых напряжений +Un и -Un при изменении входного напряжекля U6)f0 Возможность осуществления синхронизации таким образом следует из последнего выражения для Т - при возрастании от нуля входного напряжения UBX по абсолютному значению для сохранения неизменным периода Т необходимо соответствующим образом понизить пороговые напряжения +Un и -Ир. Следует отметить, что пороговые напряжения +Un, -Un не входят в формулы, которыми описываются зависимость между входным напряжением и результатом преобразования - отношением разности и суммы интервалов времени, а следовательно, изменение U никоим образом не влияет на точность преобразования,

Пороговое напряжение Un необходимо изменять следующим образом:

тт Uo-T , Uex-R,

при UBX 0

тт - U°1T

Un

При соотношении аил токов через резисторы 4 и 5

14 Uex R n r 77

R

ип

ип °с;1;

а при - 0,7

v &Ј.«

Переходим к рассмотрению совместной работы автогенератора импульсных колебаний и показанных на фиг„ 1, делителя 15, триггера 17, преобразователей 19, 20, которые,, как указано, представляют собой устройство синхронизации частоты колебаний автогенератора с так называемой тактовой частотой, которая в заданное, целое число раз меньше частоты генератора 14.

Как показано на фиг. 3 (сплошными линиями), в момент t на выходе делителя 15 появляется положительный перепад напряжения Do,, который поступает на С-вход D-триггера 17 и пе

реводит его в другое состояние, такое, что на инвертирующем выходе появляется отрицательное напряжение UT (отрицательный импульс). Этот отрицательный импульс поступает на вход преобразователя 19 временных интервалов в постоянное напряжение положительной полярности, возможный вариант электрической принципиальной схемы которого представлен на фиг„2„ Характерным для всех схем таких преобразователей является наличие в каждой схеме интегрирующей RC-цепи (звена 1-го порядка) и при необходимости некоторых других элементов для обеспечения требуемого размаха напряжения перед RC-цепыо. Аналогично выполнен и преобразователь 20, но с учето получения отрицательного напряжения на выходе. Поступивший с инвертирующего выхода D-триггера 17 на вход преобразователя 19 отрицательный импульс вызывает линейный спад напряжения на выходе преобразователя 19 и на входе компаратора 7 Напряжение U на выходе интегратора- сумматора 1 в это время линейно возрастает в сторону положительных значений, стремясь к +Up В момент вре мени tu возрастающее от -U и спадающее от +U| напряжения сравниваются компаратор 7 срабатывает и переводит D-триггер 12 в другое состояние, а на его инвертирующем выходе появляется 1, которая поступает на R-вхо D-триггера 17 и переводит его в исходное состояние„ На инвертирующем выходе появляется положительное напряжение Upj (положительный импульс), которое вызывает линейное возрас а- ние напряжения +Ufj на выходе преобразователя 19 о Кроме того, переводятся в другое состояние RS-триггер 18 и переключатель 11, в результате чего на второй вход интегратора-сумматора 1 начинает поступать положительное опорное напряжение +U0, что вызывает спад напряжения Uu на выходе интегратора-сумматора 1„ Это напря

жение L u в момент времени t сравнивается с отрицательным пороговым напряжением -U на выходе преобразователя 20 - срабатывают компаратор 8, затем D-триггер 13, RS-триггер, переключатель 11 и Ufl становится отрицательным, U начинает возрастать в сторону положительных значений, стремясь к пороговому напряжению

628204 +U

10

10

15

20

25

-JQ - 35

40

45

50

55

n. E некоторый момент t (может раньше, а может позже момента времени t() опять на выходе делителя 15 появляется положительный перепад 1Ь, D-триггер 17 переводится в нулевое состояние и на выходе преобразователя 19 появляется линейный спад напряжения Un, с которым в момент t сравнивается выходное напряжение иц интегратора-сумматора 1, компаратор 7 вновь срабатывает, и процесс повторяется о Описанное относится к установившемуся процессу о

Начала переходных процессов показаны на фиг. 3 штриховыми линиями. Так, на фиг о За, на которой сплошными линиями изображены формы сигналов в установившемся процессе при напряжении UB), на входе ИАЦП равном нулю, показано штриховыми линиями изменение хода напряжения Иц на выходе интегратора-сумматора 1 при подаче в момент времени t0 на вход напряжений положительной (U&s 0) и отрицательной (UB)) полярностейо Появление напряжения на первом входе интегратора-сумматора 1 на интервалах времени, когда на втором входе опорное напряжение +1Т0 приводит к возрастанию положительного тока перезаряда интегрирующего кснденса- тора 3, а следовательно, - к повышению скорости спада напряжения U. на выходе интегратора-сумматора 1, в интервале же времени, когда на втором входе опорное напряжение -U0, наоборот, - к понижению отрицательного тока перезаряда, а следовательно, - к уменьшению скорости возрастания иц . При действие Происходит в обратном порядке о

Описанное проиллюстрированно на фиг о За, причем показано удлинение периода перезаряда интегрирующего конденсатора 3, равного интервалу времени от момента tfl до момента повторного достижения возрастающим напряжением Пц порогового значения Un. В установившемся режима при Ugx 0 это соответствует моменту времени

С появлением напряжения U „любой полярности период автоколебания удлиняется, а это значит, что возрастающее напряжение Ътц в момент tg, как показано на фиг0 За, еще не достигает порогового напряжения U (хотя при оно бы его достигло)0 После

момента t Иц продолжает возрастать, a Un продолжает спадать, и так до момента сравненияs после которого, как описано выше, UM начинает спадать, и - возрастать, Но времени для возрастания Un до момента прихода очередного положительного перепада напряжения Ua. с выхода делителя 15 осталось меньше, чем было в пре- дьщущем такте при . Следовательно, значения пороговых напряжений +Un и -11 станут меньше, а это приведет к тому, что в следующем такте период перезаряда интегрирующего кон денсатора 3 сократится, и еще через несколько тактов переходной процесс закончится, установится новый стационарный режим, показанный на фиг с, 36, в для двух полярностей напряжения

ивхНа тех же фиг„ 36,в штриховыми линиями показаны начала развития переходных процессов при уменьшении входных напряжений Uex в момент tQ. Возрастающие напряжения иц в обоих случаях достигают пороговых напряжений Un раньше, чем достигли бы в установившемся режиме, а это приводит к возрастанию Un в последующих тактах, и тем самым - к сохранению периода перезаряда интегрирующего конденсатора 3 неизменным. В случае резкого отклонения входного напряжения вступает в действие связь между инвертирующим выходом D-триггера 17 и S-входом D-триггера 120 Благодаря этой связи В-трйггер 12 может переключиться только в интервале от момента прихода тактового импульса (положительного перепада) с выхода делителя 15 до момента срабатывания компаратора 7, после этого до момента прихода очередного тактового импульса переключение D-триггера 12 невозможно, что исключает явление самовозбуждения о

Подача импульсов квантования с генератора 14 на С-входы В-триггеров 12, 13 обеспечивает синхронизацию моментов переключений полярности опорного напряжения, т.ес изменения полярности U0 происходит не в моменты срабатывания компараторов 7а 8, а в моменты прихода первого после срабатывания одного (любого) из компараторов квантующего импульса В реаультате каждый интервал времени,, в течение которого на второй вход

0

0

5

0

5

0

5

0

интегратора-сумматора 1 с выхода переключателя 11 поступает опорное напряжение одной полярности, содержит целое число периодов следования импульсов квантования о Тем самым исключается возможность накопления погрешности квантования.

Форма напряжения на неинвертирующем выходе RS-триггера 18 полностью соответствует форме напряжения U0 на выходе переключателя 11, как показано на фигс 3„

Сравнительно низкое значение постоянной составляющей выходного напряжения интегратора-сумматора 1, а следовательно, и постоянной составляющей напряжения на интегрирующем конденсаторе 3 обеспечивается одновременным автоматическим регулированием как положительного порогового напряжения +Un на входе компаратора 7, так и отрицательного Un на входе компаратора 80 Осуществляется это преобразователями 19, 20 временных интервалов в постоянные напряжения противоположных полярностей, которые питаются или управляются от одного D-триггера 17„

Таким образом, за счет применения двух преобразователей временных интервалов в постоянные напряжения и третьего D-триггера, питающего преобразователи или управляющего ими,устройство обладает более высокой по сравнению с прототипом точностью преобразования

Формула изобретения

, 1. Интегрирующий аналого-цифровой преобразователь, содержащий интегратор-сумматор , первый вход которого является входной шиной, второй вход соединен с выходом переключателя, первый и второй информационные входы которого соединены с выходами источников опорных напряжений положительной и отрицательной полярностей, а выход интегратора-сумматора соединен с первыми входами первого и второго компараторов, выходы которого соединены с D-входами соответствующего первого и второго D-триггеров, С-входы которых объединены с входом делителя частоты и тактовым входом преобразователя временных интервалов в код и подключены к выходу генератора импульсов квантования, отличаю13

щ и и с я тем, что, с целью полыше- ния точности преобразователя, в него введены третий П-триггер, RS-триггер и первый и второй преобразователи временных интервалов в постоянные напряжения положительной и отрицательной полярностей, выходы которых соединены соответственно с вторыми входами первого и второго компараторов, а входы подключены соответственно к инверсному и прямому выходам третьего D-триггера, С-вход которого соединен с выходом делителя частоты, R- вход объединен с S-входом КЗ-триггера и подключен к инверсному выходу первого D-триггера, инверсный выход второго D-триггера соединен с R-входом RS-триггера, прямой и инверсный выходы которого подключены соответствен но к первому и второму управляюпдам

Ч. О/,|/4

входам преобразоплтеля временного интернала в код, выход которого янпя- ется выходной шиной, инверсный выхоп RS-триггера соединен с управляющим входом переключателя.

2. Преобразователь по п. 1, от - л и ч а ю щ и и с я тем, что преоб0 разователь временного интервала в постоянное напряжение соответствующей полярности выполнен на диоде, резисторе, двух конденсаторах, первый вывод первого из которых является вхо5 Дом преобразователя, второй вывод подключен к первому выводу резистора и через диод к шине нулевого потенциала, второй вывод резистора является выходом преобразователя и через

IQ второй конденсатор соединен с шиной нулевого потенциала.

Изобретение относится к измерительной технике и может быть в частности, использовано при создании универсальных цифровых вольтметров, Изобретение направлено на повышение точности преобразования„ Интегрирующий аналого-цифровой преобразователь содержит интегратор-сумматор 1, компараторы 7, 8 источники 9, 10 опорных напряжений противоположных полярностей, связанные через переключатель 11с интегратором-сумматором 1, D-триггеры 12, 13, 17, RS-триг- гер 18, генератор 14 импульсов, делитель 15 частоты, преобразователь 16 временных интервалов в цифровой код и преобразователи 19, 20 временного интервала в постоянное напряжение За счет наличия доп пнительного D-триггера 17, RS-триггера 18 и преобразователей 19, 20 обеспечивается переключение полярностей опорного напряжения не сразу после переходов через нуль результатов интегрирования сумм входного и опорного напряжений, а по достижении выходным напряжением интегратора-сумматора 1 пороговых напряжений, одинаковых по значению и противоположных по знаку, благодаря чему исключается погрешность преобразования, обусловленная наличием постоянной составляющей на интегрирующем конденсаторе Зс При этом обеспечивается полная синхронизация частных и полных циклов преобразования за счет автоматической и одновременной перестройки пороговых напряжений компараторов 7 и 8 в зависимости от уровня входного сигнала, благодаря чему исключается погрешность от краевых эффектов 1 з„п, ф-лы„ 3 ило i о ьэ 00 1C о Ј Фю.1

21

21