Логарифмический аналого-цифровой преобразователь Советский патент 1991 года по МПК G06G7/24 H03M1/62 

Изобретение относится к устройствам преобразования аналоговой формы информации в цифровую, может быть использовано в автоматике, измерительной, преобразовательной и вычислительной технике, а также в системах управления и является усовершенствованием изобретения по авт. св. ISfc 1481803

Цель изобретения - расширение области применения.

На чертеже представлена функциональная схема логарифмического аналого-цифрового преобразователя (ЛАЦП).

ЛАЦП содержит источник 1 опорных напряжений, первый коммутатор 2, генератор

3 экспоненциального напряжения (ГЭН) с регулируемой постоянной времени экспоненты, первый 4 и второй 5 счетчики первый аналоговый компаратор 6, элемент Л 7, одновибратор 8, два D-триггера 9 и 10 блок 11 синхронизации, регистр 12, цифровой компаратор 13, цифроаналоговый преобразователь (ЦАП) 14, интегратор 15. генератор 16 опорных импульсов, второй коммутатор 17, аналоговый вход 18, цифровой вход 19 задания начального кода цепи регулировки постоянной времени экспоненты, цифровой выход 20 устройства, второй 21 и третий 22 аналоговые компараторы, выход 23 заема, выход 24 переноса и элемент ИЛИ 25

ЛАЦП работает следующим образом.

На аналоговый вход 18 устройства поступает измеряемое напряжение Ux. на цифровой вход 19 постоянный код NKO- По импульсу запуска от блока 11 синхрониза- ции ГЭН 3 заряжается до своего максимального напряжения 1)э.

По окончании этого импульса с момента Т2 начинается формирование экспоненциального напряжения. Импульсом сброса осуществляется сброс счетчиков 4 и 5 и предустановка D-триггеров: триггер 9 устанавливается в О, а триггер 10 - в 1, если они находились в других состояниях (сразу после включения).

За счет нулевого кода на управляющих входах первого 2 и второго 17 коммутаторов включаются их первые каналы, так что на выход первого коммутатора 2 поступает первое опорное напряжение Uo1 с его пер- вого входа. Это напряжение и экспоненциально спадающее напряжение с ГЭН 3 подаются на входы компаратора 6 и сравниваются в нем. Пока Uo1 меньше напряжения ГЭН, на выходе аналогового компаратора 6 присутствует О. В этом состоянии на информационном входе триггера 9 действует 1 с выхода второго коммутатора 17, а на информационном входе триггера 10 присутствует О с выхода старшего разряда калиб- ровочного счетчика 4.

В момент ТЗ экспоненциальное напряжение становится меньше опорного U01 и на выходе аналогового компаратора 6 формируется положительный перепад, кото- рый, поступая через элемент И 7 на тактовые входы триггеров 9 и 10. приводит к их опрокидыванию в соответствии с сигналами на их информационных входах. Необходимо учесть, что на втором входе элемента И 7 все это время находится 1, поскольку одновибратор 8 имеет инверсный выход. Таким образом, на прямом выходе первого триггера 9 формируется передний фронт измерительного временного интер- вала Ти, а на инверсном выходе второго триггера 10 - калибровочного интервала Т. Оба счетчика 4 и 5 по сигналам разрешения счета с триггеров 9 и 10 начинают считать импульсы опорной частоты с генератора 16.

Сигнал 1 с инверсного выхода триггера 10 воздействует на входы управления младшего разряда коммутаторов 2 и 17 и переключает их на вторые каналы, в результате чего на второй вход аналогового компаратора 6 поступает измеряемое напряжение Ux, а на информационный вход D-триггера 9 - сигнал О. Если Ux Uo1. то

в момент Т4 аналоговый компаратор 6 возвращается в О.

В момент Т5 экспоненциальное напряжение становится меньше измеряемого и компаратор 6 вырабатывает второй положительный перепад, который приводит к опрокидыванию в исходное нулевое состояние триггера 9 в соответствии с сигналом на его информационном входе. Формирование измерительного интервала заканчивается.

Длительность измерительного интервала

Ти Т5 - ТЗ тэ In .

Ux

где тэ - постоянная времени экспоненциального напряжения ГЭН. Выходной код счетчика 5 U0 1

Nn fori ТТЭ In

U

Входной триггер 10 в момент времени Т5 остается в состоянии О, поскольку на его информационном входе действует О начиная с момента Т2 до момента Т6. В момент времен Т6 на выходе старшего разряда счетчика 4 появляется 1. Это приводит к переключению коммутаторов 2 и 17 на третьи каналы и подключению к второму входу компаратора 6 второго опорного напряжения Uo2 (Uo2 Uo1). Выходной сигнал компаратора устанавливается в О. Таким образом, схема ЛАЦП подготавливается к фиксации окончания калибровочного интервала.

Рассмотренный интервал времени Т6 - Т2, которому соответствует некоторый диапазон изменения выходного напряжения ГЭН, определяет диапазон преобразования Ои входного напряжения, который связан с разрядностью п счетчиков 4 и 5 и разрешающей способностью h ЛАЦП следующим образом:

0И .

В момент Т7 экспоненциальное напряжение ГЭН 3 становится меньше второго опорного напряжения Uo2, при этом на компараторе 6 формируется положительный перепад, который приводит к опрокидыванию второго триггера 10 (так как сигнал на его информационном входе изменился в момент Т6), формирования калибровочного интервала Тк заканчивается:

Тк Т7 - Т2 - гэ In 4r4- Jo

на счетчике 4 устанавливается код U01

NK fon ТЭ In

U02

(2)

который сравнивается на цифровом компараторе 13 с постоянным начальным кодом

NKO.

С момента Т7 до момента Т8 происходит установление на выходах цифрового компаратора 13 результата сравнения кодов. В момент Т8 импульсом с выхода блока 11 синхронизации производится запись информации в регистр 12 и ЦАП 14. В регистре 12 фиксируется код N4 измеряемого напряжения, т.е. происходит обновление результатов преобразования. В ЦАП 14 запоминается результат сравнения кодов - разностный код (NK-NKO), который сохраняется в нем в течение одного периода преобразования.

Аналоговое двуполярное напряжение с выхода ЦАП 14, соответствующее разностному коду, поступает на интегратор 15 и далее с выхода интегратора 15 на вход управления постоянной времени экспоненциального напряжения ГЭН 3.

Постоянную времени интегратора 15 выбирают такой, чтобы за время спадающего участка экспоненциального напряжения изменение выходного напряжения интегратора 15 не превышало величины, эквивалентной 0,5 единицы счета кода М.

Таким образом, код счетчика 4 поддерживается равным номиналу:

NK Мко(3)

с погрешностью, не превышающей единицы счета, поскольку сравнение осуществляется в цифровой форме цифровым компаратором 13. Из формул (1)-(3) находим

. 20 ig-rrr

NM NKO rfV И)

откуда видно, что выходной код АЦП пропорционален логарифму отношения измеряемого и опорного напряжений.

При увеличении гэ (во время переходных процессов при включении питания) калибровочный интервал ограничен сверху значением (Т9-ТЗ) импульсом предустановки триггеров 9 и 10. При чрезмерном уменьшении гэ ниже минимально допустимой величины третий положительный перепад на выходе компаратора 6 отсутствует, поэтому калибровочный интервал Тк ограничивается снизу отрицательным импульсом с выхода одновибратора 8 через элемент И 7 с тем, чтобы исключить инверсию знака обратной связи по цепи регулировки гэ.

Оперативная проверка работоспособности ЛАЦП осуществляется путем снятия входного напряжения.

Положительный перепад в момент зре- мени Т5 при этом отсутствует, а выходное напряжение компаратора б равно нулю

0

5

0

5

0

5

0

5

0

5

вплоть до момента Т7, т.е. первый триггер 9 срабатывает одновременно с вторым триггером 10 в момент Т7 и измерительный интервал становится равным калибровочному Ти Тк. При этом выходной код ЛАЦП Ыи NKO, что и является критерием работоспособности всего устройства.

При выходе преобразуемого напряжения их за нижнюю границу Uo2 диапазона преобразования 1 с выхода третьего аналогового компаратора 22 поступает на выход переноса ЛАЦП.

При выходе преобразуемого напряжения Их за верхнюю границу U01 диапазона преобразования 1 с выхода второго аналогового компаратора 22 поступает на выход заема ЛАЦП, Этим же сигналом через элемент ИЛИ 25 первый триггер 9 удерживается в состоянии О, что обеспечивает Ми 0, при этом расширяется область правильного функционирования ЛАЦП в сторону напряжений, превышающих Uo1, а в составе широкодиапазонного ЛАЦП исключаются резкие выбросы цифрового кода, ве- личина которых при использовании известного устройства сотавляет в течение нескольких периодов преобразования порядка NKQ.

При выборе параметров ЛАЦП следует учесть, что величина кода NKo определяется диапазоном опорных напряжений

n on i U° 1 DK 20 lg требуемой разрушающей способностью h

м ° Мко т.

а постоянная времени экспоненты связана с опорной частотой соотношением (2). которое с учетом (5) и (6) дает

20 ig e

Гэz;-(.

п Топ

Величина гэ определяет быстродействие преобразователя.

Практически при величине опорной частоты в несколько мегагерц и требуемой разрешающей способности, например, h 0,01 дБ достигаются быстродействие в доли миллисекунды и погрешность, не превышающая сотых долей децибела.

Таким образом, изобретение при высокой точности преобразования расширяет область применения предлагаемого ЛАЦП за счет исключения значительных (порядка NKO) выбросов выходного кода при кратковременных выходах преобразуемого напряжения за верхнюю границу Ко1 диапазона преобразования и обеспечения его работы в составе широкодиапазонного ЛАЦП формированием сигналов переноса и заема.

(5)

(6)

Формула изобретения

Логарифмический аналого-цифровой преобразователь по авт. св. № 1481803, о т- личающийся тем, что, с целью расширения области применения, в него введены второй и третий аналоговые компараторы, а между входом установки в 1 второго D- триггера и входом установки в 0й первого D-триггера включен элемент ИЛИ, причем первые входы второго и третьего аналоге

вых компараторов объединены с вторым информационным входом первого коммутатора, информационный вход которого объединен с вторым входом второго, а третий информационный вход - с вторым входом третьего аналогового компараторов, выход которого является выходом переноса устройства, выход второго аналогового компаратора является выходом заема устройства и соединен с вторым входом элемента ИЛИ.

Изобретение относится к устройству преобразования аналоговой формы информации в цифровую, может быть использовано в автоматике, измерительной, преобразовательной и вычислительной технике, а также в системах управления Цель изобретения - расширение области применения. Цель достигается тем, что в логарифмическийаналого-цифровой преобразователь, содержащий источник опорных напряжений, два коммутатора, генератор экспоненциального напряжения, два счетчика, первый аналоговый компаратор, элемент И, одновибратор, два D-тригге- ра,блок синхронизации, регистр цифровой компаратор, цифроаналоговый преобразователь, интегратор, генератор опорных импульсов, введены второй и третий аналоговые компараторы, выходы которых являются соответственно выходами заема и переноса устройства, а между входом установки в Г второго D-триггер и входом установки в О первого D-триггера включен элемент ИЛИ. Устройство может быть применено в составе широкодиапазонного логарифмического аналого-цифрового преобразователя и позволяет расширить область функционирования при входных напряжениях, превышающих верхнюю м ани- цу опорного напряжения. 1 ил ё