Частотный аналого-цифровой преобразователь 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 частоту

Цель изобретения - повышение точности

На фиг. 1 и 2 приведены блок-схемы АЦП и его блока управления, на фиг 3 - временная диаграмма их работы

Устройство содержит входную шину 1, шину пуска 2 и шину 3 синхронизации, шину 4 готовности результата и выходную шину 5, преобразователь 6 напряжения в частоту импульсов (ПНЧ) с входным резистором 7

(токоограничивающий элемент) на суммирующем входе, с первого по третий переключатели 8-10. у которых при наличии сигнала на управляющем входе первый вход соединен с выходом, а при его отсутствии к выходу подключен второй вход, источник 1 топорного напряжения, источник 12 тока смещения, который включается при наличии сигнала на управляющем входе, управляемый источник 13 тока, величина которого зависит от величины напряжения на первом входе и включение его происходит при наличии сигнала на втором входе выпрямитель-интегратор

14, выходное напряжение которого увеличивается при подаче на вход импульсов и остается почти постоянным при их отсутствии, изменяясь с малой скоростью уменьшения, делитель 15 напряжения, первый и второй реверсивные счетчики 16 и 17, имеющие входы для установки нулевых кодов и управления режимом вычитания, а последний также вход записи кода, регистр 18, с первого по четвертый элементы И 19-22, с первого по третий элементы ИЛИ 23-25, формирователь 26 импульсов, одновибра- тор 27 и блок 28 управления.

Блок 28 управления содержит счетчик 29, триггер 30. дешифратор 31, генератор 32 импульсов, элемент 33 задержки, с первого по четвертый формирователи 34-37 импульсов, с первого по третий элементы И 38-40 и с первого по седьмой элементы ИЛ И 41-47.

На временной диаграмме обозначено: 48 - импульсы синхронизации формирователя 34; 49 - сигнал элемента ЗЗ; 50 - импульсы пуска преобразователя: 51-58 - сигналы с первого по восьмой выхода дешифратора 31; 59 - импульсы преобразователя 6; 60 - импульсы записи кода в регистр 18; 61 - сигнал с выхода элемента И 20; 62 - импульсы записи кода в счетчик 17; 63 - сигнал готовности результата с нулевого выхода триггера 30.

Устройство работает следующим образом.

После включения источников питания и окончания переходного процесса на шинах питания сигнал 49 элемента 33 отрицательным перепадом установит в О через элементы ИЛИ 43 триггер 30 и через ИЛИ 42 счетчик 29. На первом выходе дешифратора 31 появляется сигнал 51, который проходит через элемент ИЛИ 46 и с помощью переключателей 10 и 8 подает на резистор 7 напряжение с делителя 15, равное половине опорного напряжения U0. На управляющем входе переключателя 9 сигнал отсутствует, поэтому на вычитающем входе ПНЧ6 напряжение равно нулевому потенциалу общей шины, и в суммирующий вход преобразователя 6 втекает ток IOL Сигнал 63 с О выхода триггера 30 разрешает работу элемента И 40 и включает источник 13с выходным втекающим током 1у. Поэтому величина loi с учетом остаточных параметров Uoc. loc ПНЧ6 будет равна:

,п, U0 , Uoc |01--21T+-R Ь loc - ly

Этот ток преобразуется в частоту . Первый импульс FOI проходит через элемент И 40 и ИЛИ 41 на счетчик 29, устанавливая в нем код Г. По нему на выходе дешифратора 31 с учетом О триггера 30 формируется сигнал 52, который включает через элемент ИЛИ 44 генератор 32 с часто- той f повторения импульсов и оставляет подключенным к ПНЧ6 напряжение

делителя Uo

Отрицательный перепад сигнала 51 че- рез элемент ИЛИ 24 устанавливает О в счетчике 17. Поэтому за время действия сигнала 52, начиная с О кода, в нем подсчитываются импульсы f. Длительность сигнала

52равна интервалу времени между первым и вторым импульсами 59, т.е. равна периоду

частоты FOI так как второй импульс 59 изменяет в счетчике 29 код 1 на 2 и снимает сигнал 52 и выключает генератор 32.

За это время в счетчике 17 будет сформирован KOAnoi f/Foi, который записывается в регистр 18 импульсом 60, сформированный по отрицательному перепаду сигнала 52 формирователем 26 и проходящим через элемент И 21, работа

которого разрешена сигналом с О выхода одновибратора 27. Со снятием сигнала 52 от ПНЧ6 отключается напряжение делителя 15 и подключается напряжение источника 11. На выходе ПНЧ6 формируется частота

..... Uo . Uoc , ,

, где I0 + + loc - ly.

С приходом первого импульса Fo 59 код

2 счетчика 29 сменяется на код 3 и с

учетом О триггера 30 на выходе дешифратора появляется сигнал 53, а со следующим

импульсом 59 - код 4 и сигнал 54. Сигналы

53и 54, объединяясь в элементе ИЛИ 47, включают (через ИЛИ 44) генератор 32, разрешают работу элемента И 22 и включают

(через ИЛИ 25) режим вычитания в счетчике 17. В последнем за время действия этих импульсов, равное двум периодам F0, происходит уменьшение кода noi импульсами f до , при возникновении которого на

выходе элемента И 20 формируется сигнал 61. Он проходит через элемент И 22 на выпрямитель-интегратор 14 и увеличивает его выходное напряжение, которое в источнике тока 13 увеличивает ток у. ПоследUoc

нии компенсирует влияние + 0с на

формирование FoiF0.

Со снятием сигнала 54 формирователь 35 своим импульсом устанавливает в О счетчик 29. Процесс формирования FoiF0 записи нового значения noi и увеличение ly повторяется. При неравенстве токов ( „с Ч-loc) и 1У частота FOI бу1

1

и в кондет больше -к- F0 i c - с I Г01 го

це сигнала 54 будет возникать сигнал 61, выполняющий компенсацию, которая приходит к равенству 2Foi F0 при

, Uoc

ly R

+ 1

ос

В результате этого ПНЧ6 преобразует опорные напряжения с исключенными параметрами смещения и FOI . Поэтому записанный в регистр код равен noi f/Foi п7гт- Постоянная времени

K.Uo

спада в выпрямителе-интеграторе 14 значительно больше времени его увеличения от входного импульса. Поэтому при достижении компенсации токов величина ly поддерживается в следующих тактах компенсации практически постоянной, как и перезаписываемые коды лот.

Преобразование в АЦП начинается по импульсу 50, по положительному перепаду которого запускается одновибратор 27 с длительностью выходного импульса, большей импульса 50. До его запуска сигнал с О выхода одновибратора 27 разрешал работу элементов И 21, 38, 39 и 40 при выполнении тактов компенсации. С запуском одновибратора 27 эти элементы И закрываются и тем самым исключается возможность записи неправильного кода noi из-за несинхронного прихода импульса 50 относительно тактов компенсации, а также запрещается работа счетчика 29 при установки в нем О кода по импульсу 50. Отрицательный перепад этого импульса устанавливает в 1 триггер 30, и в О счетчики

29и 16, а сигнал с 1 выхода одновибратора 27 записывает в 1 в старшем разряде последнего, имеющего вес N0, и код О через элемент ИЛИ 24 в счетчике 17.

По О коду счетчика 29 и 1 триггера

30дешифратор 31 формирует сигнал 55, который через элемент ИЛИ 45 разрешает работу элемента И 39. Через него проходит первый появившийся импульс 48 от формирователя 34, устанавливая код 1 в счетчике 29. В качестве напряжения синхронизации на шине 3 обычно используется переменное напряжение сети питания, являющейся основным источником помех, по переходу которого через нулевой потенциал формирователь 34 вырабатывает импульсы 48 с периодом повторения

-у Тп - периода помехи.

По коду 1 счетчика 29 и 1 триггера 30 дешифратор 31 формирует сигнал 56, который включает генератор 32, источник 12 (через элемент ИЛИ 23), разрешает работу элемента И 19 и с помощью переключателя 8 подключает к резистору 7 напряжение UK. Так как со снятием сигнала 63 источник 13 выключился, то в суммирующий вход ПНЧ6 втекает ток:

Ux + Un , , , Uoe

И

+ l

см

+ 1

ОС,

ft- -tM -R

0 который преобразуется в частоту FI «И

Импульсы FI увеличивают записанный в счетчике 16 код в течение сигнала 56, длительность которого должна соответствовать длительности Тн измерения Ux прототипа и

5 она формируется с помощью счетчика 17. В этот счетчик импульс с выхода элемента И 39 по окончании сигнала 56 записывает из регистра 18 код noi.

При этом для обеспечения Тр.Тп

0 младший разряд регистра 18 записывается в разряд счетчика 17, имеющий вес

-ту- NO благодаря этому величина записан

ного в счетчике 17 кода Np будет равна:

Np -к- No - noi

N0fR

чр - 2 о -т - KUo

Величина выбрана в АЦП из условия обеспечения необходимой точности при измерении величины noi, максимальное значение которой может быть 2N0. Поэтому длительность Тр, формируемая по коду Np с помощью частоты f, будет равна:

5

5

Тр -g-No 2NC

noi

-Hi

1

No/fo

N0fo и соответствует la прототипа.

Величина Тр равна длительности сигнала 56, который через элементы ИЛИ 23 и 25 0 включает в счетчике 17 режим вычитания, поэтому импульсы f уменьшают Np до нуля, по достижению которого формируется сигнал 61 и по его положительному перепаду запускается формирователь 35. Его выход- 5 ной импульс проходит через элементы И 38 и ИЛИ 41 на счетчик 29, устанавливая в нем код 2. Сигнал 56 снимается и на этом первый такт Ti измерения Ux заканчивается. Его длительность равна Тр и за это время в 0 счетчике 16 получен код

Xi N0+fiNi, где Ti-Tp-Np/f. Длительность Ti выбирается из условия 1

Ti

m -у- Тл где m - нечетное число, а Тп

период помехи, т.е. Ti не должно превышать нечетное число периодов импульсов 48. Благодаря такому выбору второй такт измерения Ux будет начинаться со сдвигом на нечетное число полупериодов помехи и

это позволяет, как и в прототипе, исключить влияние помехи Un на результат преобразования.

По коду 2 счетчика 29 и 1 триггера 30 дешифратором 31 формируется сигнал 57, по которому аналогично сигналу 55 синхронизируется начало второго такта измерения их, и с помощью импульса 62 записывается код Np в счетчик 17 и устанавливается код 3 в счетчике 29. По коду 3 этого счетчика и 1 триггера 30 дешифратор 31 формирует сигнал 58 второго такта измерения Ux, который включает источник 12 и с помощью переключателя 9 подает напряжение Ux на вычитающий вход ПНЧ6. Отсутствие сигналов на управляющих входах переключателей 8 и 10 обеспечивает подачу на резистор 7 напряжения U0, величина которого - максимального напряжения Ux.

Поэтому в течение сигнала 58 в суммирующий вход ПНЧ6 втекает ток

Uo Ux - Un , , . Uoc

12

+ lc

-He

RR -CM . p

который преобразуется в частоту

В течение сигнала 58 импульсы F2 в счетчике 16 вычитаются из Xi, т.к. сигнал 58 включил в нем режим вычитания. Длительность Т2 формируется счетчиком 17 (аналогично Ti) и равна Т2 Np/f. За это время на вход счетчика 16 поступит Х2 импульсов (Ха F2E2) и в нем будет сформирован код

Xp Xi-X2 No+(Fi-F2)(li-l2) снятию сигнала 58 формирователь 37 вырабатывает импульс,, устанавливающий в О триггер 30(через элемент ИЛИ 43) и в О счетчик 29 (через элемент ИЛИ 42), на этом преобразование заканчивается, на шинах 5 установлен результат преобразования Хр, о чем информирует сигнал 63 на шине 4.

Код Хр соответствует окончательному результату преобразования, и он свободен от составляющих погрешностей, вызываемых остаточными параметрами смещения Uoc, loc . Действительно, подставляя в Хр величины И, 12, Np, получим:

U 2No U

Хп

где Ар

U0 U0

-квант АЦП,

который равен

2 No 0,5 кванта прототипа.

Таким образом, в АЦП устранен недостаток прототипа, по сравнению с которым достигнуто повышение его точности.

Для оценки этого повышения необходимо учесть точность, получаемую при выполнении компенсации Uoc. loc с формированием noi и сравнить ее с погрешно0

5

0

5

стью (5С от остаточных параметров Uoc и loc прототипа.

Преобразование периода FOI в код noi в моменты компенсации выполняется с наибольшей погрешностью -, соответствующей временному кванту 1/f. Эта погрешность войдет в длительность

Tp -2-N0(noi-1)1 /f и приведет к наибольшей

погрешности dp в Хр при преобразовании , которая будет равна:

д --K/-J U. и«ч 1/2N0 Ор Un Up Nm

П01 UoП01

Учитывая, что noi величина 5Р не превышает 0,5 кванта прототипа.

Выполняя количественную оценку получаемого положительного эффекта повышения точности АЦП, необходимо в схеме иметь такие же соотношения между параметрами, как и в прототипе: изменение входного сигнала Ux 0 Um. опорное напряжение квант по напряжению

и по току Д -вг временной

Д Л No

R

0

квант при измерении Ux 1

1

to Fo KUo время измерения Тр TI Т2 N0/fo изменение коэффициента ПНЧ (1+ QK), амплитуда помехи Un, которой соответствует среднее значение за Тр ток смещения ICM Un/R, параметры остаточных сме- Uoc , .Um

+ loc Qc

5 щений в ПНЧ

По

R ос чс R сравнению с прототипом в АЦП частота f генератора повышена в N0 раз и в результате преобразования получается уменьшен0 ный в 2 раза квант Ар -у Д . который

соответствует единице Хр.

Величина 5с прототипа определяется

временем

т N3

Тз -jT о

она зависит от разности токов, преобразуемых в Т2 и будет наибольшей при Ux Um. Из основного уравнения преобразования:

Ik 2NiU 2Kia Uoc

+

N3

R- 2UX W

io7)ii.

4-U +

-Ik

lo-f- - + l

dc

Ue

R

-He

Подставляя в эти выражения Ux Dm и соотношения параметров прототипа, получим:

(1+qx)iA Um

Um , Un

R

, „ Um , + qn-p- +

+ + qn- Ti 2K0(1 -I- q)U X

(1 +2qn+qc)Ti.

К01д Ti 1. U

,k 2-(1 + qk)(1+2qn+qc).

N3

Y-

+qc

Un

I dc I Qc

R

qc X

L No

2qn +qc + qk(1 + 2cjn + qc)

1 + 0.5qc N°

Um R N3

2N0 Д

v 2qc+qk(1 + 2qn + qc ) 2 + qc

Если в АЦП с и при 1),1в имеют место следующие величины qc-0.06 ,1 ,05 .4, т.е. погрешность дс с составляет более 9,4 квантов прототипа.

Отсюда точность повышена в а дс/др раз: а 18,8 т.е. более, чем в 18 раз.

Все это подтверждает, что в предложенном АЦП решена задача по устранению недостатка прототипа, по сравнению с которым повышена его точность без изменения времени измерения и параметров ПНЧ.

Формула изобретения

1. Частотный аналого-цифровой преоб- разователь, содержащий преобразователь напряжения в частоту импульсов, суммирующий вход которого соединен с выходом источника тока смещения и через токоог- раничивающий элемент, выполненный на резисторе, - с выходом первого переключателя, вычитающий вход - с выходом второго переключателя, а выход - с первым входом первого элемента И. третий переключатель, источник опорного напряжения, первый и второй реверсивные счетчики, выходы разрядов первого из которых являются выходной шиной, а вход установки нулевого кода - шиной пуска и объединен с первым входом блока управления, второй вход кото- рого является шиной синхронизации, первый выход - шиной готовности результата, третий вход - подключен к выходу второго элемента И, входы которого соединены с первыми выходами разрядов второго ревер0

5

0

5

0

5

0 5 0 5

сивного счетчика, второй и третий выходы блока управления соединены с управляющими входами соответственно первого и второго переключателей и с первым и вторым входами первого элемента ИЛИ, выход которого соединен с входом источника тока смещения, первые информационные входы первого и второго переключателей являются входной шиной, второй вход второго переключателя является общей шиной, второй и третий элементы ИЛИ, выход последнего из которых соединен с входом управления вычитанием второго реверсивного счетчика, третий и четвертый элементы И, первый вход последнего из которых соединен с четвертым выходом блока управления, отличающийся тем, что. с целью повышения точности, в него введены управляемый источник тока, выпрямитель - интегратор, делитель напряжения, регистр, одновибратор и формирователь импульсов, выход которого соединен с первым входом третьего элемента И, а вход - с пятым выходом блока управления и объединен с входом управления третьего переключателя, первый и второй информационные входы которого соединены соответственно с выходом и входом делителя напряжения, подключенным к выходу источника опорного напряжения, а выход третьего переключателя подключен к второму информационному входу первого переключателя, входы и выходы разрядов регистра соединены соответственно с единичными выходами младших и с единичными входами старших разрядов второго реверсивного счетчика, а вход записи - с выходом третьего элемента И, второй вход которого объединен с четвертым входом блока управления и подключен к нулевому выходу одновибратора. вход которого объединен с первым входом блока управления, а единичный выход - с входом старшего разряда первого реверсивного счетчика и с первым входом второго элемента ИЛИ, выход которого подключен к входу установки нулевого кода второго реверсивного счетчика, а второй вход - к шестому выходу блока управления, седьмой и восьмой выходы которого соединены соответственно со счетным входом и входом записи кода второго реверсивного счетчика пятый вход - с выходом преобразователя напряжения в частоту, первый выход - с первым входом управляемого источника тока, третий вход объединен с вторым входом четвертого элемента И, а третий выход - с входом управления вычитанием первого реверсивного счетчика, счетный вход которого подключен к выходу первого элемента И, второй вход которого соединен с выходом первого элемента ИЛИ и объединен с первым входом третьего элемента ИЛИ, второй вход которого подключен к четвертому выходу блока управления, выход управляемого источника тока объединен с выходом источника тока смещения, а второй вход - с выходом выпрямителя-интегратора, вход которого подключен к выходу четвертого элемента И.

2. Преобразователь по п. 1, о т л и ч а ю- щ и и с я тем, что блок управления выполнен на счетчике, триггере, генераторе импульсов, с первого по четвертый формирователи импульсов, элемент задержки, с первого по третий элементах И, с первого по седьмой элементах ИЛИ и дешифраторе соответствующие входы которого соединены соответственно с выходами разрядов счетчика и с единичным и первым выходами триггера, единичный вход которого подключен к первому входу первого элемента И, а нулевой - к первому входу третьего элемента И и является первым выходом блока, первым входом которого являются единичный вход триггера и первый вход второго элемента ИЛИ, вторым входом блока - вход первого формирователя импульсов, выход которого соединен с первым входом второго элемента И, третьим входом блока - вход второго формирователя импульсов, выход которого соединен с вторым входом первого элемента И, четвертым входом блока является - соответственно третий вход первого и вторые входы второго и третьего элементов И, пятым входом блока является третий вход третьего элемента И, выход которого подключен к первому входу первого элемента ИЛИ, второй вход которого соединен с выходом первого элемента И,

третий вход - является восьмым выходом блока и соединен с выходом второго элемента И, а выход - соединен со счетным входом счетчика, вход установки нулевого

кода которого подключен к выходу второго элемента ИЛИ, второй вход которого соединен с выходом третьего формирователя импульсов, третий вход объединен с нулевым входом триггера и соединен с выходом третьего элемента ИЛИ, первый и второй входы которого подключены соответственно к выходам четвертого формирователя импульсов и элемента задержки, первый выход дешифратора является шестым выходом блока И и объединен с первым входом шестого элемента ИЛИ, второй выход - с вторым входом шестого элемента ИЛИ и с первым входом четвертого элемента ИЛИ, третий выход - с первым входом седьмого элемента ИЛИ, четвертый выход - с вторым входом седьмого элемента ИЛИ и с входом третьего формирователя импульсов, пятый и шестой выходы - с соответствующими входами

пятого элемента ИЛИ, седьмой выход - является вторым выходом блока и соединен с вторым сходом четвертого элемента ИЛИ. восьмой выход - с третьим входом четвертого элемента ИЛИ, с входом четвертого формирователя импульсов и является третьим выходом блока, пятым выходом которого является выход шестого элемента ИЛИ, седьмым выходом - является выход генератора импульсов, а четвертым выходом - выход седьмого элемента ИЛИ и четвертый вход четвертого элемента ИЛИ, выход которого соединен с входом генератора импульсов, а выход пятого элемента ИЛИ соединен с третьим входом второго элемента И.

Фиг.1

Изобретение относится к импульсной технике и, в частности к преобразователям напряжения в цифровой код с промежуточным преобразованием в частоту импульсов, и может быть использовано в устройствах сбора аналоговой информации автоматизированных систем контроля и управления, выполняемых на средствах вычислительной техники Недостатком известного и близкого по технической сущности аналого-цифрового преобразователя АЦП является то, что на результат преобразования оказывают влияние остаточные параметры смещения преобразователя напряжения в частоту импульсов, вызывающие дополнительные погрешности Целью изобретения является повышение точности АЦП за счет исключения этих погрешностей АЦП содержит источник опорного напряжения, преобразователь напряжения в частоту импульсов, переключатели, источник тока смещения, два реверсивных счетчика, элементы И и ИЛИ, блок управления. Новым является введение делителя напряжения, управляемого источника тока, аналогового запоминающего элемента, регистра, одно- вибратора и формирователя импульсов, благодаря которым в АЦП исключаются погрешности прототипа и тем самым повышается его точность работы. 1 з п ф-лы. 3 ил. ё

Фиг. 2