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

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

Цель изобретения - повышение быстродействия преобразователя.

На фиг. 1, 2 и 3 приведены блок-схемы АЦП, блока формирования времени интегрирования опорного напряжения и блока управления соответственно; на фиг. 4 - временная диаграмма.

АЦП (фиг. 1) содержит шины опорного 1, входного 2 напряжений, пуска 3, готовности результата преобразования 4, выходная 5 соответственно, интегрирующий элемент 6, например выполненный на конденсаторе, интегратор 7, например выполненный на

операционном усилителе с конденсатором в цепи обратной связи, ключи 8, 9 и 10, Первые два из которых имеют резисторы R, каж- дый из них при наличии сигнала на управляющем входе замкнут, при отсутствии сигнала разомкнут, компаратор 11 и пороговый элемент 12 с напряжением срабатывания Un, блок 13 формирования времени интегрирования опорного напря- жения, счетчик 14, переключатель 15, у которого при отсутствии сигнала на управляющем входе замкнуты первый вход и выход, а при наличии сигнала замкнут второй вход и выход, делитель 16 напряжения и источник 17 тока с выходным током с, триггер 18, элементы ИЛИ 19 и И 20, блок 21 управления.

Os

ю сл сл о

со

Блок 13 (фиг. 2) содержит триггер 22, ормирователь 23 импульса из отрица- тельного перепада, элемент 24 И, первый 25 и второй 26 элементы ИЛИ.

Блок 21 (фиг. 3) содержит счетчик 27, генератор 28 импульсов, имеющий вход управления при наличии сигнала на котором генератор включен к работу, триггер 29, инвертор 30, формирователь 31 импульсов из положительного перепада напряжения, элементы И 32 и ИЛИ 33.

На временной диаграмме фиг. 4 обозначены: 34 - импульс на шине пуска; 35 - импульс переполнения счетчика 27; 36 - сигнал на единичном выходе триггера 29; 37 и 38 - импульс формирователя 31 и временной интервал TOI его появления после нача- ла Тц 39 и 40 - напряжения Un(t) и Uc(t) на выходе интегратора 7 и элемента 6; 41, 42 и 43 - временные интервалы Тц, Т21 и Ti2 в течение интегрирования Uk (время совмещенного интегрирования - T2i); 44 - временной интервал Т22 интегрирования Uo после TI; 45 - напряжение Un порога срабатывания элемента 12; 46 -сигнал на выходе компаратора 11; 47, 48 и 49 - сигналы на выходах элемента 12, триггеров 18 и 22; 50 - импульс формирователя 23; 51 и 52 - сигналы на выходах элемента ИЛИ 33 и инвертора 30 (сигнал готовности результата преобразования на шине 4).

АЦП работает следующим образом.

Преобразование входного сигнала начинается по импульсу 34, поступающему по шине 3 и устанавливающему О в счетчиках 14 и 27, в триггерах 18 и 22 (через элементы ИЛ И 19 и 26) и 1 в триггере 29. Его входной сигнал 36, во-первых , с помощью ключа 9

U

подает на вход интегратора 7 ток lx -Q- , а

к

во-вторых, проходя через элемент ИЛИ 33, включает генератор 28 и далее через инвертор 30 размыкает ключ 10 и разрешает работу интегратора 7.

Начинается первый такт работы АЦП - интегрирования ix, в результате которого на выходе интегратора 7 появляется напряжение Un(t) и сигнал 46 на выходе компаратора 11. Напряжение 40 на выходе интегрирующего элемента 6 Uc(t) равно напряжению Ug делителя 16, так как их выходы соединены с помощью переключателя 15.

Величина I Ug i выбирается равной

(1-1)-и„(1-1).

и„,

rfleUm Uxm,q

0 , a Un - порог срабатыU

Напряжение Uc(t) на выходе элемента 6 будет в течение времени 38 TOI:

Toi (1- )Т1,гдеТ1 р . Ч о

Время Toi 38 формируется по коду старших разрядов счетчика 27 с помощью элемента И 32. При появлении сигнала на его выходе запускается формирователь 31, а его импульс 37 устанавливает в 1 триггер 18.

0 Сигнал 48 этого триггера с помощью переключателя 15 подключает источник 17 тока к интегрирующему элементу 6, выходное напряжение Uc(t)40 начинает изменяться (при отрицательной величине Ug оно увеличива5II ( -Ь

UrtU Q)

ется со скоростью V -, / - . Вели1/q -Ti

чина V обеспечивается соответствующим выбором величины тока источника 17, ис0 пользующего U0 для поддержания его стабильным, и конденсатора интегрирующего элемента 6.

Поэтому на выходе элемента 6 в течение TOI 38 поддерживается напряжение Ug, a

5 затем оно будет Uc(t) - Ug(1 - Vt). Этим двум напряжениям соответствуют напряжения:

- Um(1

Ј) и Ucn(t)

Um(1 - Ј)

30

-(Ij) на пеРвом 8Х°де порогового

элемента 12, при которых он будет срабатывать. Так к окончанию Ti Ucn 0, а при TOI

оно равно - Um(1 - -) и при Ux Um в этот

момент произойдет срабатывание порогового элемента 12.

Для других значений Ux это произойдет позже через время Тц 41 по сигналу 47, который установит в О триггер 18 (через

элемент ИЛИ 19) и в 1 триггер 22 (через

элементы ИЛИ 25 и И 24), Первый из.них

отключаете помощью переключателя 15ток

1С от интегрирующего элемента 6, и на его

выходе восстанавливается напряжение 40,

равное-Ug.

Второй сигналом 49 подключает с помощью ключа 8 напряжение U0 к интегратору 7, и начинается совмещенное интегрирование - (U0 - Ux) в течение Tai 42,

одновременно с которым разрешена работа элемента И 20, пропускающего импульсы f0 генератора 28 на счетный вход счетчика 14, где формируется код X результата преобразования.

На фиг. 4 показано два случая оконча-. ния Tai до окончания Ti и с его окончанием, которое формируется по импульсу 35 с по

Изобретение относится к области импульсной техники, в частности к преобразователям напряжения в цифровой кед с интегрированием входного напряжения, и может быть использовано в устройствах сбора аналоговой информации систем контроля и управления технологическими процессами. Целью изобретения является повышение быстродействия преобразователя. АЦП содержит интегратор с входными ключами, компаратор, пороговый элемент, блок формирования времени интегрирования опорного напряжения, счетчик, блок управления и элемент И. Новым является введение интегрирующего элемента, переключателя, третьего ключа.источника тока , делителя напряжения, триггера и элемента И, благодаря которым в АЦП дополнительные затраты времени на получение оконча- тельного результата преобразования сведены к незначительной величине и тем самым достигнуто повышение быстродействия АЦП. 2 з.п. ф-лы, 4 ил. сл

вания 45 элемента 12, U0 - опорное напряжение.

мощью счетчика 27 и импульсов f0 генерато„„т- NO

pa 28, обеспечивая величину и q -т- .

В первом случае напряжение Uu(t) достигает нулевого уровня, сигнал 46 на выходе компаратора снимается и запускает формирователь 23, устанавливающий в О триггер 22, который отключает U0 от интегратора 7.

Во втором случае совмещенное интегрирование Tai 42 заканчивается с окончанием сигнала 36, так как импульс 35 устанавливает в О триггер 29, который отключает Ux от интегратора 7. Таким же образом закончится Ti2 43 в первом случае, и если на выходе компаратора 11 присутствует сигнал 46, то он разрешает прохождение импульса 35 через элемент 24 И, который вновь устанавливает в 1 триггер 22, а его сигнал 49 подключает U0 к интегратору, которое разинтегрирует 1)и до нуля за время

Т22 44,

В течение этого времени, как и в Т21 42, в счетчик 14 поступают импульсы fo, И в нем формируется окончательный результат преобразования X за время Та2, которое заканчивается по сигналу 49 и импульсу 50, устанавливающему в О триггер 22. С окончанием Т22 сигнал 51 с выхода элемента ИЛИ 33 снимается, и генератор 28 выключается, а сигнал 52 с выхода инвертора 30 закорачивает вход и выход ключа 10, выключая из работы интегратор 7, и информирует по шине 4 о готовности результата преобразования.

Величина Хсформирована в счетчике 14 в результате преобразования интервалов времени Т21 и Т22 в код с помощью частоты

fo, Т.е. X + Т22) fo.

Из уравнения преобразования можно определить величину +122):

KUxTn - K(U0 - UX)T21 + KUxTi2 KU0T22, где К - коэффициент интегратора 7, в котором учтена величина R преобразования Uo и Ux в ток ключами 8 и 9.

Откуда их(Тц + Т21 +112) UoCTai + Т22),

Uv

или UxTi U0(T21 +122). Поэтому X -rp TV

О

fo TriqNo тт1 No -т, где А-квант

UoUmL

АЦП.

Таким образом, в счетчике 14 получен точный результат преобразования Ux в X.

Время Т22 определяется величиной Uu(Ti), которая зависит от времени Ti2, определяемого, в свою очередь, началом со- вмещенного интегрирования при срабатывании порогового элемента 12.

ПОЭТОМУ УиСГО 12 KU0T22: Т12 - -Т1-СТ11 + Т21).

Из уравнений окончания совмещенного интегрирования KUxTii - K(U0 - UX)T21 и сра- батывания порогового элемента 12: Un(Tn)Ucn(Tii-Toi), или Un(Tii)Um(11 /ч Тп - Toi - -} (1 - уq) можно получить с

учетом того, что KTi 1 и Toi Ti(1 - ), величины: Т 2 i -гг-гг- и

Uo -Ux

1

Тм T-i

Um(1-Ј)q

---- . Так как

Ux + Um(1 -l)q

0

5

0

5

5

0

Ti2 Tt - Tn(1 + ux ). то T22 Uo - Ux

UXUx x

-Uo T°-T1 оЖ

у Г 1 -( q Um ( q - 1 )Um , AM qUm-Ux; Ux + ( q - 1 ) Um J

Величина Т22 при Ux 0 и Ux Um равна нулю, и она имеет наибольшее значение Т22н при уровне UXH, который можно определить из уравнения Т122 (Ux) 0. Для величины q 4, используемой как и в примере реализации известного преобразователя, величины UXH 0,625Um и Т22н 0.0031Т2.

По сравнению с известным преобразователем, в котором время Т22н 0,125Ti и оно соответствует входному сигналу

5 UXH 2 Um в предлагаемом АЦП для этого

уровня Ux T22 0,002Ti, а его наибольшее время Т22 0,0031Ti, затрачиваемое на получение окончательного результата преобразования, уменьшается более чем в 40 раз, что повышает быстродействие АЦП, Формула изобретения 1. Аналого-цифровой преобразователь совмещенного интегрирования, содержащий интегратор, вход которого соединен с выходами первого и второго ключей, информационные входы которых являются соответственно шинами опорного и входного напряжений, выход интегратора подключен к первым входам порогового элемента и компаратора, второй вход последнего из которых является общей шиной, счетчик, выходы которого являются выходной шиной, вход установки нуля - шиной пуска, блок управления и блок формирования времени интегрирования опорного напряжения, выход которого соединен с управляющим входом первого ключа и первым входом элемента И, второй вход которого соединен с первым выходом блока управления, а выход -- со счетным входом счетчика, первый вход блока управления является шиной пуска, второй выход соединен с управляющим входом второго ключа, третий выход-с первым входом блока формирования времени интегрирования опорного напряжения, второй вход которого объединен со вторым входом блока управления и подключен к выходу компаратора, отличающийся тем, что, с целью повышения быстродействия преобразователя, в него введены интегрирующий элемент, делитель напряжения, источник тока, переключатель, триггер, элемент ИЛИ и третий ключ, информационный вход и выход которого подключены соответственно к входу и выходу интегратора, а управляющий вход является шиной готовности результата преобразования и подключен к четвертому выходу блока управления, пятый выход которого соединен с единичным входом триггера, а первый вход обьединен с первым входом элемента ИЛИ и с третьим входом блока формирования времени интегрирования опорного напряжения, четвертый вход которого объединен с вторым входом элемента ИЛИ и подключен к выходу порогового элемента, второй вход которого соединен с выходами интегрирующего элемента и переключателя, первый и второй информационные входы которого подключены соответственно к выходам делителя напряжения и источника тока, входы которых являются шиной опорного напряжения, а управляющий вход переключателя подключен к прямому выходу триггера, вход интег- рирующего элемента является общей шиной.

которого является вторым входом блока и объединен с первым входом элемента И, второй вход которого подключен к выходу второго элемента ИЛИ, первый и второй входы которого являются -соответственно

первым и четвертым входами блока.

элементах И и ИЛИ, причем первым входом блока является единичный вход триггера и вход установки нуля счетчика, счетный вход которого подключен к выходу генератора импульсов, являющегося первым выходом

блока, выход переполнения счетчика подключен к нулевому входу триггера и является третьим выходом блока, а выходы старших разрядов счетчика подключены к соответствующим входам элемента И, выход которого подключен к входу формирователя импульсов, выход которого является пятым выходом блока,-четвертым выходом которого является выход инвертора, вход которого объединен с управляющим входом

генератора импульсов и подключен к выходу элемента ИЛИ, первый и второй входы которого являются соответственно вторыми входом и выходом блока, а прямой выход триггера подключен к второму входу элемента ИЛИ.

I

ЬыходI

Ш

fPU2.i