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

Изобретение относится к электроизмерительной и вычислительной технике и может быть использовано для преобразования напряжения постоянного тока низкого уровня в цифровой код с последующей индикацией в цифровой форме или вводом кода в вычислительную машину.

Целью изобретения является повышение точности преобразования напряжения постоянного тока низкого уровня и увеличение быстродействия устройства.

На фиг. 1 представлена структурная схема предлагаемого АЦП; на фиг. 2 - схема компаратора.

АЦП содержит ключи 1 и 2, усилитель 3, токоограничивающий элемент, выполненный на резисторе 4, интегратор на операционном усилителе 5 (ОУ) и накопительном элементе, выполненном на конденсаторе 6, ключи 7 и 8, компаратор 9, источник 10 образцового напряжения (ИОН), токоограничивающий элемент, выполненный на резисторе 11, цепь коррекции дрейфа нуля, состоящую из накопительного элемента, выполненного на конденсаторе 12, и ключа 13, генератор 14 тактовых импульсов (ГТИ), формирователь импульсов 15, элемент И 16, счетчик 17. формирователь 18 временных интервалов, инвертор 19. элемент ИЛИ 20,

О

VI

со VJ

CJ

ю

ключ 21. последовательно соединенные резисторы 22 и 23 и устройство 24 задержки. Компаратор 9 включает инвертор 25 и дифференциальный усилитель 26.

АЦП работает следующим образом. В исходном состоянии ключ 1 закрыт, ключи 2, 7, 8 и 13 открыты, ключ 21 находится в верхнем положении, при этом компаратор 9 находится в линейном режиме, так как он включен по схеме неинвертирующего усилителя с резисторами 22 и 23 в цепи ООС. За счет действия ИОН 10 и резисторов 4 и 11 на входе ОУ 5 образуется отрицательное смещение, которое, благодаря действию обратной связи через ключ 13, запоминается на конденсаторе 12.

С приходом импульса запуска формирователь 18 производит сброс счетчика 17 и изменяет состояние своих выходов на противоположное. При этом ключ 1 открывается, ключи 2, 8 и 13 закрываются, ключ 21 переходит в нижнее положение, дополнительный вход компаратора 9 соединяется с общей шиной через параллельно включенные резисторы 22 и 23 и компаратор 9 переходит в режим нуль-органа (сравнение выходного напряжения интегратора с нулевым потенциалом общей шины). Преобразуемое напряжение, усиленное усилителем 3, поступает через резистор 4 и ключ 7 на вход интегратора, изменяя его выходное напряжение. Скорость изменения напряжения на выходе усилителя 5 зависит от значения и полярности преобразуемого напряжения. Отрицательное смещение на входе ОУ 5 должно выбираться более отрицательным, чем максимальное усиленное усилителем 3 отрицательное преобразуемое напряжение. В этом случае при преобразовании максимального отрицательного напряжения скорость изменения напряжения на выходе интегратора будет минимальной, а при преобразовании максимального положительного напряжения - максимальной. Нулевому преобразуемому напряжению соответствует скорость изменения выход- ного напряжения, строго определяемая выходным напряжением ИОН и соотношением резисторов 4 и 11. Длительность первого такта (выбирается из соображений обеспечения максимального подавления помех) определяется длительностью импульса на втором выходе формирователя 18. По окончании первого такта ключи 1 и 7 закрываются, а ключи 2 и 8 открываются. Ключ 13 остается закрытым, ключ 21 находится в нижнем положении. При этом на вход ОУ 5 через резистор 11 поступает отрицательное (относительно напряжения смещения на конденсаторе 12)

напряжение ИОН 10. Направление изменения напряжения на выходе ОУ 5 изменяется на обратное, причем скорость изменения напряжения остается постоянной и определяется, кроме значения напряжения ИОН 10, соотношением резисторов 4 и 11 и значением сопротивления резистора 11. По достижении выходным напряжением на ОУ 5 исходного уровня срабатывает компаратор

0 9 и второй такт заканчивается. По сигналу компаратора 9 формирователь 18 временных интервалов изменяет состояние и переводит схему в исходное состояние - закрывается ключ 1, открываются ключи 2,

5 7 и 8, ключ 21 переходит в верхнее состояние, при этом компаратор 9 переводится в линейный режим, затем через время задержки, определяемое устройством 24, открывается ключ 13 и на конденсаторе 12

0 происходит запоминание напряжения смещения.

Формирование отсчета счетчиком 17 происходит следующим образом.

Нулевому преобразуемому напряже5 нию на входе соответствует строго заданная напряжением смещения скорость изменения напряжения на выходе интегратора как в первом, так и во втором такте, т.е. момент срабатывания компаратора 9 в этом случае

0 заранее известен. Именно в этот момент и изменяется на противоположное состояние формирователь 18 временных интервалов. Формирователь 15 импульсов реализует по отношению к импульсам ГТИ 14 функцию

5 ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ, т.е. пропускает эти импульсы, если на выходе компаратора 9 и выходе формирователя 18 сигналы не совпадают. При отрицательном преобразуемом напряжении компаратор 9 срабатывает

0 раньше изменения состояния выхода формирователя 18. При уменьшении значения отрицательного преобразуемого напряжения момент срабатывания компаратора 9 приближается к моменту изменения состоя5 ния выхода формирователя 18, что вызывает уменьшение количества импульсов, поступающих на счетчик 17. При равенстве преобразуемого напряжения нулю моменты сравнения совпадают и на счетчик импуль0 сы не поступают. При преобразовании поло- жительного напряжения момент срабатывания компаратора 9 запаздывает по отношению к моменту изменения состояния выхода формирователя 18, что вызыва5 ет заполнение счетчика 17 соответствующим количеством импульсов. Анализируя последовательность срабатывания компаратора 9 и выхода формирователя 18, можно определить полярность преобразуемого напряжения.

Перевод компаратора 9 в линейный режим при помощи ключа 21 и резисторов 22 и 23 на время коррекции нуля повышает устойчивость цепи коррекции нуля и устраняет самовозбуждение, что исключает по- грешность, обусловленную колебаниями напряжения вблизи нулевого уровня, запоминания напряжения нуля на накопительном конденсаторе 12, что и приводит к повышению точности отработки нуля,

Задержка коммутации накопительного конденсатора 12 за счет устройства 24 позволяет уменьшить выбросы на нем. Уменьшение выбросов происходит вследствие того, что компаратор 9 вначале переводится в линейный режим, при этом происходит уменьшение значения его выходного напряжения ОТ Увых - 1)нас Unur ДО Квых К ивых5 . где К - коэффициент передачи компаратора в линейном режиме; Унас - вы- ходное напряжение насыщенного компаратора; 11пит - напряжение питания компаратора; иВЫх5 выходное напряжение усилителя-интегратора 5, а затем уменьшенное выходное напряжение компаратора 9 коммутируется на конденсатор 12. Уменьшение амплитуды выбросов уменьшает длительность переходных процессов в цепи коррекции нуля, что дает возможность сократить время коррекции нуля преобразо- вате л, я. увеличивая его быстродействие.

Время задержки устройства 24 выбирают исходя из времени срабатывания ключа

21 и времени выхода компаратора 9 из

0

5 0 0

5

насыщения.

Формула изобретения

1.Аналого-цифровой преобразователь по авт.св. М 1411974, отличающийся тем, что, с целью повышения точности преобразования напряжения постоянного тока низкого уровня и увеличения быстродействия, в него введены устройство задержки, включенное между первым выходом формирователя временных интервалов и управляющим входом первого ключа, два токоограничивающих элемента, выполненных на резисторах, шестой ключ, первый информационный вход которого соединен с выходом компаратора, выход через два последовательно соединенных резистора является общей шиной и соединен с его вторым информационным входом, а управляющий вход соединен с первым выходом формирователя временных интервалов, при этом точка соединения двух последовательно включенных резисторов соединена с дополнительным входом компаратора.

2.Преобразователь по п. 1. о т л и ч а ю- щ и и с я тем, что компаратор выполнен на инверторе и дифференциальном усилителе, при этом входом компаратора является вход инвертора, выход которого соединен с неинвертирующим входом дифференциального усилителя, выход которого является выходом компаратора, дополнительным входом которого является инвертирующий вход дифференциального усилителя.

Фиг 1

Изобретение относится к электроизмерительной и вычислительной технике. Целью изобретения является повышение точности преобразования напряжения постоянного тока низкого уровня и увеличение быстродействия. Аналого-цифровой преобразователь отличается тем, что в него введены устройство задержки, включенное между первым выходом формирователя временных интервалов и управляющим входом первого ключа, два резистора и шестой ключ, первый информационный вход которого соединен с выходом компаратора, выход через два последовательно соединенных резистора соединен с общей шиной и вторым информационным входом формирователя временных интервалов, при этом точка соединения двух последовательно включенных резисторов соединена с дополнительным входом компаратора. Дополнительно введенные элементы и связи позволяют увеличить устойчивость цепи коррекции нуля за счет перевода компаратора в линейный режим на время коррекции, что устраняет самовозбуждение вблизи нулевого уровня, и уменьшить выбросы на накопительном конденсаторе цепи коррекции за счет задержки времени его коммутации. Устранение самовозбуждения увеличивает точность, а уменьшение выбросов увеличивает быстродействие. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.