Аналого-цифровой преобразователь с преобразованием напряжения в частоту Советский патент 1991 года по МПК H03M1/60 

Изобретение относится к импульсной технике, в частности к преобразователям напряжения в цифровой код с промежуточным преобразованием в час то ту импуль со в„

Цель изобретения - повышение точности преобразования,,

На фиг„1 изображена блок-схема АЦП; на фиг о 2 - временные диаграммы его работы„

АЦП содержит входные шины 1-3 для преобразуемого Ux и опорного напряжений и для сигнала пуска в работу, выходные шины 4 кода результата преобразования, преобразователь 5 напряжения в частоту (ПНЧ) импупьсов, аналоговый переключатель 6, у которого первый вход соединен с выходом при наличии сигнала на управляющем входе и второй вход соединен с выходом при отсутствии управляющего сигнала, вычитатель 7 аналоговых сигналов, аналоговый ключ 8, вход которого соединен с выходом при наличии сигнала на управляющем входе, счетчики 9 и 10, причем счетчик 10 имеет счетный вход для р-го разряда, реверсивные счетчики 11 и 12, имеющие входы управления режимом вычитания, генератор 13 импульсов, имеющий частоту f0e nof, тае„ увеличенную по сравнению с прототипом в п0 раз, с первого по четвертый триггеры 14-17, одновиб- ратор 18, с первого по девятый эле0СП

со

00

менты И 19-27, формирователь 28 импульсов, с первого по пятый элементы ИЛИ 29-33 о

На фиг.2 обозначены: 34 - импульс пуска АЦП в работу; 35-39 - сигналы на выходах 1 триггеров 14 и 15, старшего разряда счетчика 9, триггег ров 16 и 17; 40 - временные интервалы наличия f на счетном входе счетчика 12; 41 - сигнал на выходе эле- мента ИЛИ 30„ При этом на фиг„2 приведены два примера преобразования

U

2 UX,VMH

Uv л Ос

X 9 КУМ х

АЦП работает следующим образом„ Б интервалах времени, когда не выполняется преобразование 13, триггеры 14-17 находятся в О исходном состоянии, в которое они приходят к окончанию очередного преобразования, а также после включения питания АЦП. В последнем случае это обеспечивается тем, что работа счетчиков 9 и 11 не запрещается каким-либо сигналом и импульс переполнения первого из них устанавливает в О триггер 14 через элемент ИЛИ 33, а снятие сигнала с выхода элемента ИЛИ 30 при получении О кода в реверсивном счетчике 11 устанавливает в О триггер 15 о Если с включением питания триггеры 16 и 17 установятся в 1, то в первый из них О запишется первым импульсом с выхода ПНЧ 5, который пройдет через элемент И 23 и запустит формирователь 28, сигнал которого подается на вход О триггера 16, а О в триггер 17 запишется после установки в О триггера 15 при работе реверсивного счетчика 12, когда его код становится равным О по снятию сигнала с выхода элемента ИЛИ 33 о

Исходное состояние О триггеров 14-17 обеспечивает выключение из работы счетчика 30, так как работа элементов И 19-21 запрещена, и разрешена работа реверсивного счетчика 12, так как элементы И 25 и 27 открыты сигналами с выходов О триггеров 14-16 Импульсы Ј0 генератора 13 проходят через элемент И 25 и ИЛИ 32 и подсчитываются реверсивным счетчиком 12 (временные интервалы 40), а импульсы с выхода ПНЧ 5 проходят через элемент И 27 и устанавливают в нем код

Из-за отсутствия сигналов 35 и 36 на управляющих входах ключа 8 и переключателя 6 выходной сигнал вычитателя 7 будет равен UQ и он преобразуется ПНЧ 5 в частоту F

В течение периода FQ в реверсив- Q ном счетчике 12 формируется код

n f0/F0, который с каждым импульсом К0 сбрасывается в О и вновь формируется за время 1/FQ„ Этот процесс продолжается до появления им- 5 пульса 34 пуска АЦП в работу, который может появиться в любой момент времени относительно прихода F , т.е. через t, после очередного импульса За время tm в реверсивном счетчике 0 12 будет получен код п4 tH,,-f0 и за это же время ПНЧ 5 получит заряд

но мень М

от U0, равный q k U ший q0

Импульс 34 запускает одновибратор

5 18, который обнуляет счетчики 9-41 и устанавливает в 1 триггер J4, снятие сигнала с выхода О которого запрещает работу элементов И 25 и 27 и счетчика 12, в котором будет

Q храниться код п, используемый при дальнейшем получении результата преобразования

Сигнал 35 с выхода 1 триггера 5 14 при помощи переключателя 6 пода- ет на вход ПНЧ 5 напряжение U и разрешает совместно с сигналом с выхода О старшего разряда счетчика 9 работу элемента И 19„ Так начинает- 0 ся первый такт Т,, работы АЦП, в течение которого с выхода ПНЧ 5 на счетчики 10 и 11 поступают импульсы с

5

частотой F

А1

q

В течение времени, равного половине Т0 времени измерения Ux, в счетчике U накопится N щ импульсов, а в счетчике 9 будет сформирован предварительный результат преобразования Нр„ Время

0 Т0 формируется с помощью импульсов генератора 13 и счетчика 9, имеющего емкость, равную 2N0n0. От момента прихода импульса 34 до переполнения счетчика 9 проходит время Т0

5 2N0n0/f0,j

После начала Т, за время -т- Т0

с выхода ПНЧ 5 на вход р-ro разряда счетчика 9 поступит N импульсов

мм - яаЛиикто-Г)

Так как вес р-го разряда этого счетчика равен 2nto, то по этим импульсам будет получен код N. Nn 2n0. Этот код отличается от точного результата преобразования, так как он получен за время, равное половине времени интегрирования U, и в него входят погрешности от k, q и q . Поэтому Np используется только для определения окончания Т и начала второго такта Т, что обеспечивает наименьшее общее время преобразования Это окончание определяет импульс переполнения счетчика 10, на счетный вход которого во второй половине

I --- Т подаются импульсы г, так как

сигнал 37 и сигнал с выхода О триггера 16 открывают элемент 20, а элемент 19 закрывают 0 Емкость счетчика 10 равна N0n0, поэтому после прохождения (N0n0- Np) импульсов появится импупьс переполнения, который установит в 1 триггер 16о Сигнал 38 с его выхода 1 открывает элемент И 23 и первый импульс ПНЧ 5 запускает формирователь 28, а он устанавливает в О триггеры 16 и 14 (последний через элемент ИЛИ 33) и в J

30 ся Ux от вычитателя 7, на его выходе появляется напряжение U0, которое начинает преобразовываться ПНЧ 5 в импульсы F kUg/q,, Эти импульсы про- . должают уменьшать в реверсивном счеттриггеры 15 и 17 (последний через

элемент И 24, и только в том случае,

если на выходе элемента ИЛИ 3 имеет- 35 чике 11 код N до нуля, с появлением

ся сигнал)окоторого сигнал 44 с выхода элемента ИЛИ 30 снимается и устанавливает в О триггер 15 На этом преобразование заканчивается, все триггеры J4- 40

На этом заканчивается.Т, сигнал

35снимается, а появившийся сигнал

36проходит через элемент И 22 и подключает Uj( с помощью ключа 8 на вход вычитателя 7„ С его выхода сигнал (ио- Uy) подается на ПНЧ 5, на вьрсоде которого начинают формироваться импульсы РХ2Ш k - и начинается

второй такт работЫо

За время Т с выхода ПНЧ 5 на вход реверсивного счетчика 11 поступит целое число N импульсов в результате преобразования заряда q q01 + t k 11дТ ив нем будет получен код N К окончанию Т в счетчике 10 будет код О, так как с появлени- вне времени (Т5+ Т) с величиной

17 находятся в исходном состоянии 0

За время (ТЈ + Тэ) на вход ПНЧ 5 поступит заряд k(U0- UX) , на основе которого ПНЧ 5 сформирует целое число импульсов 45 N ,

I

За это же время в счетчик 10 поступит импульсов fa

N,

23

(т,- t,

г -т тэ)Ј0

50

Из условия Nj- N23 0, подставляя в него значения N чл/г и гя q23/q, можно определить соответст. ьод

6513816

читания и импульсы ПНЧ 5 FX2 будут вычитаться из N, В это время в счетчике 10 происходит подсчет импульсов f0, которые проходят через элементы

10

И 21 и ИЛИ 29 о При этом подсчет начинается только после того, как закончится сигнал 39 и появится сигнал в результате установки в О триггера 17„ Это произойдет через t,.,

/ и

гц/Гр после начала хя, так как толь15

20

ко после уменьшения кода п в реверсивном счетчике 12 до О снимется сигнал с выхода элемента ИЛИ 31, ко торый устанавливает в О триггер 17 Уменьшение кода п импульсами f o происходит благодаря тому, что сигнал 39 разрешает работу элемента И 26 к включает режим вычитания в реверсивном счетчике 120 Поэтому подсчет импульсов ffl в счетчике 10 выполняется за время, меньшее, чем Т 2 на tH( .

Второй Т„ такт работы АЦТТ закан25 чивается с окончанием по импульсу переполнения счетчика 9, устанавливающего в О триггер 14о С окончанием Т снимается сигнал 36 ив течение Т $ третьего такта отключает30 ся Ux от вычитателя 7, на его выходе появляется напряжение U0, которое начинает преобразовываться ПНЧ 5 в импульсы F kUg/q,, Эти импульсы про- . должают уменьшать в реверсивном счет

- 35 чике 11 код N до нуля, с появлением

та ИЛИ 30 снимается и устанавливает в О триггер 15 На этом преобразование заканчивается, все триггеры J4- 0

вне времени (Т5+ Т) с величиной

17 находятся в исходном состоянии 0

За время (ТЈ + Тэ) на вход ПНЧ 5 поступит заряд k(U0- UX) , на основе которого ПНЧ 5 сформирует целое число импульсов 5 N ,

I

За это же время в счетчик 10 поступит импульсов fa

N,

23

(т,- t,

г -т тэ)Ј0

0

Из условия Nj- N23 0, подставляя в него значения N чл/г и гя q23/q, можно определить соответст

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 систем испытаний, контроля и управления технологическими процессами. Целью изобретения является повышение точности преобразования0 Аналого-цифровой преобразователь (АЦП) содержит преобразователь напряжения в частоту с вход- 1ным переключателем, вычитатель, два счетчика, реверсивный счетчик, два триггера, генератор импульсов, одно- вибратор, логические элементы И и ИЛИ„ Введение в АЩТ третьего счетчика, двух триггеров, формирователя импульсов и логических элементов позволяет уменьшить квант преобразования, что повышает точность работы АЦП„ 2 ил,, с S (Л

ем его переполнения сигнал с выхода О триггера J6 снимается, закрывается элемент И 20 и подсчет импульсов fo прекращается.

В течение Т сигнал 36 включает в реверсивном счетчике 11 режим выпреобразуемого сигнала Uj

5

или (Т

kUxT,- k(U0- UA)Ta +kUQT9l Учитывая, что Тг То- Т, получь

г„,и„ + их(т(1+ т

-У т Uo

W

Т,)

,+ Т,)

-о + tw

, Подставив это значение в N , будем иметь

Ni V w t«м о--§ .V

Ш °,

Дп

где Ап. - квант АЦП. Таким образом в счетчике J О

получен окончательный результат х « N2jпреобразования IL за время Т0 о

Необходимо отметить, что при преобразовании напряжений, имеющих незнчительную величину или Uy 0, может не произойти окончание Т в течение

о

Например, как это показано на

фиг„2, после второго импульса 34 при выполнении преобразования Ux in0&n величина N« будет равна нулю и переполнение счетчика 10 произойдет только с окончанием TO(сигнал 37), а окончание Т - по первому импульсу ПНЧ 5 через время t после Т0„

В течение t (сигнал 38) реверсивный счетчик 12 работает как и перед началом Т0 (в триггерах 14 и 15 находится код О), Поэтому в нем код п. будет увеличен на n t2«t0. После окончания Т в реверсивном счетчике 11 будет код N 1, соответствующий заряду q40 q0f ЬиЛТ0 + + kILt-. В этом случае второй такт работы АЦП отсутствует, после Т начинается сразу Т, а после прихода первого в Т импульса F0, соответствующего заряду q kU0Tj, преобразо-i вание заканчивается В течение Т счетчик 10 начинает работать через I

tK(

время (п4+ п) -Ј- tM, + ta, поэтому в нем будет получен код Nae (Т

4)fo« Из условия Nt 0 или q(J q

имеем

kU0T2

-UL т . +

МвТ„

откуда

Т,и,

tM,+ te.

Подставляя величину Т- в N5 получим

N,

JSL Т Ј , U0 iote

- КЛпЛ

3- и0 и0 Дп В счетчике 10 получен результат преобразования х N для и гпд&п.

В рассмотренных случаях преобразования U., окончательный результат преобразования х не содержит погрешностей от tK, и t.M , присущих прототипу, и по сравнению с ним имеет квант Л.п

JliBL

меньше его кванта увеличить точность

Преобразование th и

в коды

п и п. будет выполняться с возможным возникновением погрешностей, максимальные величины которых составпт

t1 т°е п и nl ttfo-lt Аналогичные ошибки могут появиться

при преобразовании (Т + Тэ) в код N (Т,, T5)f0±l. При формировании длительности измерения Т0 также может иметь место погрешность

(2НЛп0 - l)/f

о о

t

Если значение п, пг, T0 подставить в уравнения преобразования, то получим значение х , отличающееся от точного значения х

х - -Н1 (2N п„- 1)- Јe + tu fflил

5

5

0

0

5

0

5

- tefd- n e ± - -SJ (2Ывпг 1)±3.

Наибольшая погрешность в х по сравнению с х будет при преобразовании максимального входного сигнала Ц

I „ « -г- и и она составит величину от

+2,5 до -3,5 единицы, соответствующей кванту Дп Д/п0.

Это позволяет количественно оценить, на сколько улучшилась точность в предлагаемой АЦП по сравнению с прототипом, который имеет погрешность 12 или -1,5 единицы, соответствующей кванту &

Для случая возникновения наибольших погрешностей точность будет повышена в |3 раз, где А « 2Д/3.5 &п 0,57 п0„

Таким образом, в предлагаемом АЦП при условии сохранения основных параметров прототипа Fe и Т0 по сравнению с ним в р 0,57-пв раз повышена точность работы,, Так, при увеличении в АЦП частоты генератора в 16 раз (п 16) и увеличении разрядов счетчиков 9 и 10 на четыре разряда увеличение точности будет более чем в 9 раз.

Формула изобретения

Аналого-цифровой преобразователь с преобразованием напряжения в частоту, содержащий переключатель, первый информационный вход которого

объединен с информационным входом ключа и является входной шиной, второй информационный вход подключен к выходу вычитателя, первый вход кото- рого является опорной шиной, а второй вход соединен с выходом ключа, а выход переключателя через преобразователь напряжение - частота соединен со счетным входом первого ревер- сивного счетчика и первым входом первого элемента И, второй вход которого объединен с управляющим входом переключателя, первым входом второго элемента И и подключен к первому выходу первого триггера, третий вход подключен к нулевому выходу старшего разряда первого счетчика, а выход - к счетному входу р-го разряда второго счетчика, выходы разрядов которо- го являются выходными шинами, а счетный вход соединен с выходом первого элемента ИЛИ, первый и второй входы которого подключены соответственно к выходам второго и третьего эле- ментов И, первый вход последнего из которых соединен с первым выходом второго триггера и объединен с первым входом.четвертого элемента И, второй вход - с выходом генератора импульсов и объединен со счетным входом первого счетчика и вторым входом второго элемента И, третий вход которого объединен с вторым входом четвертого элемента И и подключен к единичному выходу старшего разряда первого счетчика, вход обнуления которого объединен с одноименными входами первого реверсивного и второго счетчиков и первым входом первого триггера и подключен к выходу одно- вибратора, вход которого является шиной запуска, выходы разрядов первого реверсивного счетчика через второй элемент ИЛИ соединены с первым входом второго триггера, а выход четвертого элемента И подключен к управляющему входу ключа, отличающийся тем, что, с целью повышения точности преобразования, в него введены вто- рой реверсивный счетчик, третий и четвертый триггеры, третий, четвертый и пятый элементы ИЛИ, с пятого по девятый элементы И и формирователь импуль сов, причем выходы седьмого и восьмого элементов И подключены к входам четвертого элемента ИЛИ, а их первые входы объединены и соединены с выходом генератора импульсов, первый вход девятого элемента И объединен с первым входом первого элемента И и с первым входом пятого элемента И, второй вход седьмого и второй вход девятого элементов И объединены и подключены к второму выходу первого триггера, а третий вход седьмого и третий вход девятого элементов И объединены и подключены к второму выходу второго триггера, второй вход восьмого элемента И соединен с первым выходом четвертого триггера и объединен с входом управления вычитанием второго реверсивного счетчика, вход обнуления которого подключен к выходу девятого элемента И, четвертый вход которого подключен к первому выходу третьего триггера и объединен с четвертым входом второго элемента И, выход третьего элемента ИЛИ соединен с первым входом четвертого триггера и первым входом шестого элемента И, второй вход которого объединен с первым входом третьего триггера, с вторым входом второго триггера, подключен к выходу формирователя импульсов и объединен с первым входом пятого элемента ИЛИ, второй вход которого соединен с выходом переполнения первого счетчика, а выход - с вторым входом первого триггера, второй вход третьего триггера соединен с выходом переполнения второго счетчика, а первый выход второго триггера соединен с входом управления вычитанием первого реверсивного счетчика, второй выход четвертого триггера подключен к третьему входу третьего элемента И, вход формирователя импульсов соединен с выходом пятого элемента И, второй вход которого соединен с вторым выходом третьего триггера, а второй вход четвертого триггера соединен с выходом шестого элемента И, выход четвертого элемента ИЛИ соединен со счетным входом второго реверсивного счетчика, выходы разрядов которого соединены с соответствующими входами третьего элемента ИЛИо