Аналого-цифровой преобразователь Советский патент 1992 года по МПК H03M1/48 

Изобретение относится к электроизмерительной технике и может найти применение в измерительных устройствах для преобразования постоянного напряжения в цифровой код.

Известен аналого-цифровой преобразователь, содержащий схему сравнения, интегратор, счетчик, генератор опорных импульсов, где сначала осуществляется преобразование аналогового сигнала в длительность импульса, которую затем преобразуют в цифровой код с помощью подсчета числа импульсов опорной частоты. Известен также аналого-цифровой преобразователь, содержащий аналоговый компаратор, генераторы треугольных и опорных импуль- соа, делитель частоты, устройство управления, интегратор, ключ, реверсивный

цифровой счетчик, аналоговый мультиплексор, источники опорных напряжений положительной и отрицательной полярности. В этом преобразователе исходная последовательность импульсов равна периоду тактирующих- треугольных импульсов, и выполняется интегрирование суммы измеряемого и двух.опорных, равных по величине и противоположных по знаку, напряжений, причем время подключения на вход интегратора опорных источников положительной и отрицательной полярности меняется в зависимости от величины входного напряжения. Разность длительностей импульсов подключения на вход интегратора положительного и отрицательного опорных источников напряжения преобразуется в цифровой эквивалент путем заполнения импульсами опорной частоты.

VJ ю о

с о

Недостатком известных устройств является их сравнительно невысокая точность аналого-цифрового преобразования, что вызвано наличием погрешностей от нестабильности частоты тактового генератора, от нелинейности заряда конденсатора интегратора. Интегратор выполняется на основе операционного усилителя постоянного тока, при работе которого в области малых значений входной величины значительное влияние оказывает дрейф нуля и связанная с ним аддитивная составляющая систематической погрешности, что затрудняет измерение малых сигналов.

Известно устройство аналого-цифрового преобразования, содержащее аналоговый мультиплексор, исгочники опорного напряжения положительной и отрицательной полярности, выходы которых соединены с первым и вторым информационными входами аналогового мультиплексора, аналоговый компаратор, реверсивный двоичный счетчик, генератор опорных импульсов, три триггера (полутактов, перегрузки, ши- ротно-импульсного сигнала), цифровой компаратор, блок исключения постоянной составляющей, вход которого соединен с выходом аналогового мультиплексора, в выход - с первым входом аналогового компаратора, второй вход которого соединен с общей шиной, а выход аналогового компаратора соединен с входом направления счета реверсивного двоичного счетчика, первый и второй входы цифрового компаратора соединены соответственно с информа- ционными выходами реверсивного двоичного счетчика, которые также являются выходной шиной, и двоичного счетчика импульсов, а выход цифрового компаратора соединен с синхронизированным входом установки в единицу второго триггера, вход синхронизации которого объединен со счетным входом двоичного счетчика и соединен с выходом генератора огорных импульсов, счетный вход реверсивного двоичного счетчика соединен с инверсным выходом первого триггера, прямой выход которого соединен с первым управляющим входом аналогового мультиплексора и вторым входом установки в нуль второго триггера, выход которого соединен со вторым управляющим входом аналогового мультиплексора, третий информационный вход которого является входной шиной, счетный вход первого триггера соединен с выходом переполнения двоичном счетчика импульсов, третий управляющий вхол мультиплексора, входы установки в нуль двоичного счетчика, первого и третьего триггеров, первый вход установки в нуль второго триггера,

вход предварительной установки реверсивного двоичного счетчика являются шиной начальной установки, выход переполнения реверсивного двоичного счетчика соединен

с входом установки в единицу третьего триггера, выход которого является шиной сигнала перегрузки и принцип работы которого заключается в следующем. На выходе аналогового мультиплексора из трех входных

сигналов (двух опорных и измеряемого) формируется импульсная периодическая последовательность, состоящая из двух равных по длительности полутактов, причем в первом полутакте на вход блока исключения

постоянной составляющей коммутируются опорные источники в последовательности отрицательный - положительный, а во втором полутакте - подлежащее измерению на- пряжение.Затемвэтой

последовательности сигналов исключается

постоянная составляющая напряжения, и это приводит к ее смещению вверх (вниз) относительно нулевой линии так, что будет соблюдаться равенство вольт-секундных площадей импульсов, лежащих в положительной и отрицательной областях. Анализируется амплитуда сигнала во втором полутакте (на вход скоммутировано измеряемое напряжение), и если она не равна нулю, то изменяется длительность

подключения на вход положительного источника опорного напряжения, и при неизменной длительности полутакта и длительность отрицательного опорного источника так, чтобы амплитуда напряжения

во втором полутакте стала равной нулю ив момент этого равенства длительность подключения положительного опорного источника становится информативной, линейно связанной с входным измеряемым напряжением, В данном устройстве временная диаграмма импульсов на входе аналогового компаратора имеет вид, как на фиг. 1, на которой представлен один период (такт) работы устройства. Здесь А- и А+ - амплитуды

отрицательного и положительного импульсов сигнала, соответственно равные

А- l-Uon I+(±UBX)(1)

A+ l +Uon I-(tUBX).(2)

В формулах (1) и (2) -Uon и +Uon - отрицательный и положительный источники опорного напряжения.

Зависимость, выражающая связь длительности Т.ШЙС подключения на вход анало- гового мультиплексора положительного источника опорного напряжения (широтно- импульсный сигнал) с входным измеряемым напряжением ±U8x описывается формулой

- - д ..,, / i -и„„ i +V± u,i A+ 4. A- ттоет+Тги w

где tn/т - длительность полутакта.

Для частного случая, если MJon l H+U0n l Uon выражение (3) примет следующий вид:

Uon + (± Цвх) .

1шис ттгҐL to4

ZUbn

График линейной зависимости Тшис от UBX при равенстве абсолютных величин опорных источников и при изменении UBX от -Don до +Uon представлен на фиг. 6 и 7 пун- ктирной линией. Преобразование длительности в цифровой код является простой инженерной задачей.

К недостаткам устройства относятся низкие функциональные возможности пре- образователя, невысокая точность. Для аналого-цифрового преобразователя при смене диапазона измеряемых напряжений необходимо изменение абсолютных величин напряжений опорны источников (и зна- ка), согласно формуле преобразования (3). которые определяют края диапазона измеряемых напряжений, т.е. необходима целая прецизионная линейка высокостабильньгх источников опорных напряжений, и точ- ность преобразования будет зависеть каждый раз при изменении диапазона преобразуемых напряжений от включаемых в измерение новых опорных источников. С этим связана подгонка ряда источников опорного напряжения по абсолютному значению, компенсация для них всех их временного и температурного дрейфа. Это относится к точностному аналоговому регулированию диапазона измеряемых напря- жений.

Целью изобретения является расширение области применения преобразователя за счет возможности изменения диапазона преобразуемых напряжений и повышение точности.

Поставленная цель достигается тем/что в аналого-цифровой преобразователь, содержащий двоичный счетчик импульсов, аналоговый мультиплексор, первый, второй и третий информационные входы которого соединены соответственно с гыходами источников опорного напряжения положительной и отрицательно ;: полярности и со входной шиной, а выход через блок исклю- чения постоянной составляющей - с первым входом аналогового компаратора, второй вход которого является общей шиной, а выход соединен со входом направления счета реверсивного счетчика, информационные выходы которого являются выходной шиной и соединены с соответствующими первыми входами цифрового

5

Ю

15 2025 30 35

40

45 50 55

компаратора, вторые входы которого подключены к соответствующим информационным выходам счетчика импульсов, счетный вход которого соединен с выходом генератора опорных импульсов, выход переполнения соединен со счетным входом первого триггера, выход которого соединен с первым управляющим входом аналогового мультиплексора, второй управляющий вход которого подключен к выходу второго триггера, вход синхронизации которого соединен с выходом генератора опорных импульсов, а первый

вход установки в нуль объединен со входами установки в нуль первого триггэра. счетчика импульсов, входом предварительной установки реверсивного счетчика, входом установки в нуль третьего триггера, третьим управляющим входом аналогового мультиплексора и является шиной начальной установки, вход установки в единицу третьего триггера соединен с выходом переполнения реверсивного счетчика, а выход является шиной сигнала перегрузки, введены формирователь импульсов, элемент задержки, элемент ИЛИ, первый, второй и третий элементы И, первый и второй элементы И-НЕ, первый и второй элементы НЕ и первый и второй счетчики обратного счета, информационные входы каждого из которых подключены к соответствующей шине цифрового кода, инверсный выход первого счетчика обратного счета объединен с первым входом первого элемента И-НЕ, входом первого элемента НЕ и соединен с асинхронным входом установки в единицу второго триггера, синхронизированный вход установки в единицу которого соединен с выходом второго элемента И, первый вход которого

соединен с выходом цифрового компаратора, а второй вход соединен с выходом третьего элемента И и объединен с первым входом первого элемента И, второй вход которого объединен со вторым входом первого элемента И-НЕ, первым входом второго элемента И-НЕ, входом элемента задержки и соединен с выходом первого триггера, а выход первого

элемента И соединен через формирователь импульсов со счетным входом реверсивного счетчика и с первым входом элемента ИЛИ, второй вход которого является шиной начальной установки, а выход соединен со стробирующими входами предварительной установки первого и второго счетчиков обратного счета, счётные входы которых соединены соответственно с выходами первого и второго элементов И-НЕ. второй вход последнего из которых объединем с первым входом третьего элемента И и подключен к выходу первого элемента НЕ, третий вход через второй элемент НЕ объединен со вторым входом третьего элемента И и соединен с инверсным выходом второго счетчика обратного счета, при этом выход элемента задержки со вторым входом установки в куль второго триггера.

Принципиальная сущность предлагаемого изобретения, позволяющего изменить диапазон преобразуемых напряжений и повысить точность преобразования (путем повышения разрешения), заключается в введении в периодическую последовательность импульсов дополнительных тактов.

На фиг. 1 представлена временная диаграмма периода импульсных сигналов, ха- рактеризующая работу прототипа (основной ШИС-такт); на фиг. 2 представлена временная диаграмма периода последо- вательности импульсов, состоящего из основного ШИС-такта и одного дополнительного такта Т+(а) или п дополнительных тактов Т+(б); на фиг. 3 представлена временная диаграмма периода последовательно- сти импульсов, состоящего из основного ШИС-такта и одного дополнительного такта Т- (а) или п дополнительных тактов Т- (б); на фиг. 4 приведена временная диаграмма периода последовательности импульсов, со- стоящего из основного ШИС-такта и симметрично дополненного тактами Т+ и Т-; на фиг. 5 показана временная диаграмма периода импульсной

последовательности, состоящего из п дополнительных тактов Т+, п дополнительных тактов Т- и основного ШИС-такта; на фиг. 6 представлены графики зависимостей длительности Тшис от входного напряжения UBX (прямые преобразования) при введении в последовательность импульсов только дополнительных тактов Т+ или только дополнительных тактов Т-; на фиг. 7 представлены графики прямой преобразования при введе- нии в импульсную последовательность оди- накового количества дополнительных тактов Тч- и Т-; на фиг. 8 представлена структурная схема предлагаемого аналого-цифрового преобразователя; на фиг. 9 представлены временные диаграмы, пояс- няющие работу аналого-цифрового преобразователя.

Такт работы устройства-прототипа (используется отлько один периодически повторяющийся такт, как на фиг 1), который также содержится в импульсной последовательности предлагаемого устройства, и применительно к нему является основным тактом (в котором происх здит широтно-им- пульсная модуляция опорных сигналов) или

ШИС-тактом. Каждый дополнительный такт, число которых зависит от задания необходимого диапазона измерений, так же, как и основной такт (ШИС-такт) состоит из двух равных по длительности полутактов, причем в первом полутакте на вход блока исключения постоянной составляющей коммутируется на протяжении всего его времени либо положительный источник опорного напряжения +Uon (обозначим этот дополнительный такт Т+), либо отрицательный опорный источник -Don (обозначим

этот дополнительный такт Т-), а во втором полутакте (как для ШИС-такта, так и для тактов Т+ и Т-) на вход блока исключения постоянной составляющей (БИПС) коммутируется входное измеряемое напряжение UBX. Таким образом, периодически повторяющаяся последовательность импульсных сигналов в общем случае будет состоять из дополнительных тактов Т+ и Т- и основного ШИС-такта. Причем наличие ШИС-такта всегда обязательно, а дополнительные такты Т+ и Т- вводятся в периодическую последовательность сигналов в зависимости от необходимого диапазона измеряемых напряжений UBX. Изменяя число дополнительных тактов Т+ и Т- и их соотношение, можно варьировать прямой

преобразования, а именно изменять ее наклон (крутизну), сдвигать ее в положительную или отрицательную область. Таким образом, изменение диапазона измеряемых постоянных напряжений в данном преобразователе осуществляется не изменением величин опорных напряжений +Uon и -Uon (они остаются постоянными всегда), а путем введения дополнительных тактов Т+ и Т- в периодическую последовательность импульсов.

Выведем общую формулу преобразования при наличии дополнительных тактов.

Если периодическую последовательность импульсов, содержащую один повторяющийся ШИС-такт, как это показано на . 1, для которого длительность широтно- импульсного сигнала тшис определяется выражением (3), изменить путем добавления к Ней такта Т подключения на вход БИПС в течение всего первого полутакта tn/т положительного источника опорного напряжения HJon. то импульсная периодическая последовательность (ее временная диаграмма) примет вид, показанный на фиг. 2, а. При условии правильного преобразования (правило которого, как и для известного устройства, гласит, что амплитуда сигнала во втором полутакте коммутации на вход измеряемого напряжения, после того, как последовательность импульсов прошла через

блок исключения постоянной составляющей, должна быть-равной нулю) должно иметь место равенство вольт-секун дных площадей положительных и отрицательных импульсов одного периода сигнала, т.е. для фиг. 2, a Si + S3 S2 или

А+ tn/T + A-h ttlJHC А- (tn/T - 1ШИС).

Решая равенство относительно тшис, получим, что

А-. .А +, 1Я.

1ШИС д++д -tr/T-A+.+ . (4)

При сравнении с формулой (3) видно, что второй член во второй половине равенства есть ничто иное, как влияние на пределы изменения Тшис дополнительного такта. По- ставив в (4) вместо амплитуд А- и А+ их значения (1) и (2), получим, что

.и„п+(±и..) №

t,-- -t-у;

Решив последнее равенство относительно

UBX, имеем ± Цзх -

2Uon Тшис

.т.е. для полного изменения 1Шис от 0 до tn/т диапазон входных сигналов UBX должен быть следующим: при Тшис О UBX 0, при Тшис -у

UBX +

Uon

. ПРИ tuniC t l/T UBX +Uon. ЭТО

решение может быть выражено на графике фиг. 6 линейной зависимостью между длительностью шис и величиной положительного измеряемого напряжения U8x (прямая преобразования 1). Диапазон входных сигналов UBX от 0 до -HJon. При изменении U8x в этих пределах 1шис изменяется от 0 до тп/т. Нетрудно видеть, что вес младшего разряда преобразователя при введении одного дополнительного такта уменьшается по сравнению с последовательностью без дополнительного такта (только ШИС-такт) в два раза, повышается разрешение.

В общем случае для числа п+ дополнительных тактов Т+ подключения на вход положительного источника опорного напряжения (временная диаграмма одного периода сигналов представлен з на фиг. 2, б) формула (4) примет следующий вид:

tujnc-

Аtr/T -

л+ А +

to/т (5)

A++A- .гт А++А- Если число дополнительных тактов Т+ равно двум (ri+ 2), то прямая преобразования примет вид линии 2 на графике фиг. 6. Пол- ное изменение длительности т.Шис от нуля до tn/т будет при изменении UBX от +1 /3 Uon до +Uon. Это нетрудно проверить, если в формулу (5) подставить для амплитуд А- и А+

их значения (1) и (2).и решить равенство относительно ±Uex. т.е.

3 ± Цвх) - Ц,п v . , 1шис я-rfX tc/y

2UC

10

-

20

, , i Uon(2 tiuHC 4- tn4) ,

При 1шмс 0 UBX + -, при tmwc -JT2

UBX + Uon , при 1Шис tn/т UBX +Uon.

Таким образом, диапазон измеряемы-/ напряжений UBX от + Uon. Вес м. ,адшего разряда уменьшается в три раза по сравнению с преобразователем, работающим с одним основным тактом.

Если п+ 3, то прямая преобразования займет уже положение прямой 3 на том же графике. Диапазон входных напряжений

Un

UBX ОТ +до +U0n. Вес младшего раз5

0

5

0

5

0

g

ряда уменьшается в четыре раза. Таким образом, наблюдается закономерность при введении в периодическую последовательность дополнительных тактов J+ в виде сужения диапазона измеряемых напряжений и сдвига его в положительную сторону, причем уменьшается вес младшего разряда в п+ + 1 раз, крутизна прямой преобразования увеличивается. При добавлении Т+ возможно измерение преобразователем только входного напряжения положительной полярности.

Теперь по аналогии, если добавить к основному ШИС-такту дополнительный такт Т-, который характеризуется подключением на вход преобразователя отрицательного источника опорного напряжения -Uon в течение всего первого полутакта tn/т, а во втором полутакте, как и в основном, на вход коммутируется измеряемое напряжение UBX, то импульсная последовательность будет состоять из повторяющихся двух тактов, как это показано на временной диаграмме фиг. За. Как и прежде, условием правильного преобразования будет равенство нулю амплитуды сигнала во втором полутакте (в момент подключения на вход подлежащего измерению входного напряжения UBX) после исключения в периодической последо- вательности импульсов постоянной составляющей напряжения. Для вольт-секундных площадей импульсов одного периода сигнала, лежащих выше и ниже нулевой линии (постоянная составляющая в сигнале

исключена), имеет место равенство, т.е. S1 + 82 Зз или

А - tn/т + А-(Тп/т - 1шис) А+ 1Шис,

откуда

дд

ис д+4.д М + tn/T (6)

Второй член в правой части равенства (6) вносит дополнительные изменения в длительность гшис при введении дополнительного такта в периодическую последовательность. .

Поставив в формулу (6) вместо А- и А+ их значения согласно выражениям (1)и (2), получим, что

„ 2 Uon+2 (± UBX) . ,

1ШИС- 2ТУп

Решив последнее выражение относительно ±Uex, получим, что

j. I I Uon (turnc 1п4)

для которого при т.шис О UBX -Uon, при

tujMc

tr/т

UBX

и

on

при 1шис tn/т UBX 0.

2 WBX2

На графике фиг. 6 прямая преобразования tujnc от UBX представлена линией 4, Диапазон измеряемых напряжений UBx от 0. до -Uon, т.е. если необходимо измерять входные напряжения UBX только отрицательной полярности в пределах от 0 до -Uon, не изменяя самих величин опорных источников напряжения, то в этом случае период последовательности импульсов надо составлять из двух тактов, один из которых основной ШИС-такт, а другой - дополнительный такт Т-. При изменении UBX от 0 до -UBx длительность т.шис будет принимать все возможные значения от нуля до tn/т.

Так же, как и для положительных дополнительных тактов Т+, выражение (6) для tmnc при введении в последовательность импульсов числа п- дополнительных тактов Т- примет общий вид

А-. п- х- А- , , .

ис д++А г/т + дГ ti/т (7)

Временная диаграмма периода такой последовательности импульсных сигналов представлена на фиг. 36. Для двух дополнительных тактов Т-, т.е. п- 2, прямая преобразования примет вид линии 5 на графике фиг. 6. Для п- 3 прямой преобразования соответствует линия 6.

Таким образом, дополнение импульсной последовательности тактами Т- приводит (по аналогии с Т+) к сужению диапазона измеряемых напряжений и его сдвигу в отрицательную область входных напряжений. При этом возрастает разрешение преобразования, т.е. происходит уменьшение веса младшего разряда в п- + 1 раз (при сохранении первоначальных величин источников опорного напряжения +Uon и -Uon). При добавлении к основному ШИС-такту дополнительных тактов Т- возможно измерение входных напряжений только одной полярности, отрицательной.

Рассмотрим третий случай. Если к основному такту добавить одинаковое количе- ство тактов Т+ и Т-, то произойдет уменьшение диапазона измеряемых напряжений UBX при сохранении середины шкалы преобразования при UBx 0.

Покажем это на примере для периодической последовательности, имеющей по одному дополнительному такту Т+ и Т-. Временная диаграмма для данной последовательности импульсов показана на фиг. 4, для

одного периода которой имеет место равенство Si + 84 82 + 83 или

А+ -Тп/т + А+ -1шис А- -Т.П/Т + A--(tn/T-tiunc). откуда

25

АА+

+TRZ лТТ/w tn/ +-Tx: (8)

Второй член последнего равенства вносит дополнительные изменения т.Шис от включения в последовательность дополни- тельного такта Т+.

Подставив в выражение (8) вместо амплитуд А- и А+ их значения согласно (1) и (2), получим, что

Тшис

Uon + 3 ( J

2TU

± UBX) .

м

Решив это выражение относительно ± UBx, получим, что

,|1 Uon (2 tiiinc tiry) -Ux 3tf/r

0

5

ДЛЯ КОТОРОГО При Тшис О UBX - tr/T

и

on

. при tmnc

5 0, при Тшис tn/т UBX +

Uon

rj , «-ШИСШ/Т о

Прямая преобразования для выше описанной последовательности представлена на графике фиг. 7 линией 1.

Таким образом, симметрично добавив в периодическую последовательность по одному такту подключения на вход положительного и отрицательного опорных источников Т+ и Т-, можно получить диапазон измерения UBX в три раза меньший, чем без дополнительных тактов (только с основным тактом ШИС). Измеряемое напряжение

UBX может изменяться

и вес младшего разряда также уменьшается

в три раза (повышается разрешение). При этом абсолютные значения опорных источников +DBX и -Uon остаются неизменными.

На графике фиг. 7 линией 2 представлена прямая преобразования, если число так- тов Т+ и Т- равно соответственно п+ 2 и п- 2. Диапазон измеряемых напряжений UBX

от + Чр.

Для произвольного числа дополнитель- ных тактов п+ и п- (временная диаграмма импульсной последовательности показана на фиг. 5) формула преобразования (8) примет вид следующего общего выражения:

А-. n-t- А4-. п- - А-.

(шис

А+ -f-A. ,„/ + А+ . .„/ - А- . , , . А++А- А+ 4-А- W

(можно заметить, что это выражение может быть также получено путем суперпозиции формул (5) и (7))..

Выполнив преобразования в (9), получим, что

Uon (1 - п+ + п-) + (± и,,) (1 + п-) 2 Uon

/,. (10)

откуда

2 т.шис (1 - п+ + п-) tr/т

i . ; : :7 Uc

(1+n+ + n-)tn/T

(11)

Формула (11) является общим выражением для вычисления диапазона измеряемых напряжений. Зная число дополнительных тактов п- и п+ в периодической последовательности импульсов, можно вычислить пределы измеряемых напряжений, подставляя в формулу (11) крайние значения т.шис 0 и tunic tn/т. Разрешающая способность, вес младшего разряда уменьшаются в этом случае в (1 + п+ + + п-) раз.

Для примера вычислим диапазон входных напряжений и уменьшение веса младшего разряда для периодической последовательности с числом дополнительных тактов п+ 3 и п- 1. Формула (.11) для UBX в этом случае примет следующий вид:

.11 2 tumc + . .

±Ux-g-j -Uon,

т.е. для tujvic 0 UBx + -j и для т.Шис tn/т

3 UBX + Uon. Таким образом, диапазон измеряемых напряжений UBx изменяется от

о

до g- Uon. Уменьшение веса младшего разряда происходит в (1 + 3 + 1) 5 раз по сравнению с импульсной последовательностью без дополнительных тактов (только с основным

5

10

15

20

25

30

3540

45

50

55

ШИС-тактом). Прямая преобразования представлена на графике фиг. 7 линией 3.

Таким образом, вводя в периодическую последовательность импульсов дополнительно к основному ШИС-такту такты подключения на вход источников положительного и отрицательного опорных напряжений Т+ и Т- и меняя их число, можно получить различные диапазоны измерения входных напряжений одновременно с увеличением разрешающей способности преобразователя (уменьшение веса младшего разряда), сохраняя при этом неизменными всегда величины опорных источников напряжения +U0n И -UonСтруктурная схема предлагаемого аналого-цифрового преобразователя с переменной шкалой преобразования, осуществляющая выше описанный принцип работы, показана на фиг. 8. Она включает в себя источники опорного напряжения положительной 1 и отрицательной 2 полярности, входную шину 3, по которой поступает постоянное, подлежащее измерению напряжение ±UBx, аналоговый мультиплексор 4, блок исключения постоянной составляющей (БИПС) 5, аналоговый компаратор (нуль-орган) 6, реверсивный двоичный счетчик 7, двоичный счетчик прямого счета 8. цифровой компаратор 9 (схему подразряд- ного сравнения содержимого двоичного 8 и двоичного реверсивного 7 счетчиков), генератор опорных импульсов 10, триггеры полутакта 11, широтно-импульсного сигнала (ШИС) 12 и перегрузки 13, сигнализирующего о выходе входного напряжения 0Вх за диапазон измеряемых сигналов, элемент ИЛИ 14, формироватедль импульсов 15, элементы И 16, 17, 18. элементы НЕ 19 и 20 (инверторы), элементы И-НЕ 21, 22, двоичные счетчики обратного счета 23 и 24 (работающие на вычитание), элемент задержки 25, шину начальной установки устройства 26 выходную цифровую шину 27, входные цифровые шины 28 и 29 предварительной установки по параллельным входам состояний двоичных счетчиков 23 и 24 соответственно и выходную шину перегрузки 30.

Источники опорного напряжения 1 и 2 равны по величине и противоположны по знаку. Разрядности двоичных счетчиков 7 и 8 равны и определяют разрядность выходного кода аналого-цифрового преобразователя. Выходной код, представляемый устройством, является смещенным кодом, для которого старший разряд является знаковым. Счетчики обратного счета 23 и 24 служат для хранения и счета дополнительных тактов. В эти счетчики по параллельным входам Di в начале каждого периода импульсной последовательности или по сигналу Начальная установка (шина 26) с цифровых шин 28 и 29 заносится количество дополнительных тактов в двоичном коде, В счетчик 23 заносится количество тактов Т+ подключения на вход положительного источника опорного напряжения +U0n (смещение шкалы преобразования в сторону положительных входных напряжений), а в счетчик 24 - количество тактов Т- подключения на вход отрицательного источника опорного напряжения -U0n (смещение шкалы преобразования в сторону отрицательных входных напряжений).

При выборе разрядности счетчиков 23 и 24 надо исходить из максимально возможного числа дополнительных тактов Т+ и Т-, Для выхода 0 счетчиков 23 и 24 выполняется следующее условие: если содержимое счетчика равно нулю, то выход имеет потенциал логического нуля. Сигналы с выходов триггеров полутактов 11 и ШИС 12 поступают на управляющие входы 1 и 2 мультиплексора 4 соответственно. Аналоговый мультиплексор 3 () коммутирует на свой выход один из трех входных сигналов в зависимости от управляющих сигналов, поступающих на его входы управления. Если триггер полутактов 11 в нуле, то выполняется первый полутакт, в течение которого на выход мультиплексора 4 поступает либо напряжение от положительного опорного источника + Uon, либо напряжение от отрицательного опорного источника -Uon (определяется состоянием триггера ШИС), а если он в единице, то выполняется второй полутакт, и в течение всего его времени на вход БИПС 5 поступает подлежащее измерению входное напряжение ±UBx. Состояние триггера ШИС 12 определяет, какой из опорных источников должен быть подключен на вход БИПС в первом полутакте. Если он в единице, то коммутируется +U0n, если в нуле, то -Uon. Дешифрация сигналов с выхода 11 и 12 мультиплексором А осуществляется по следующему правилу: если состояние выходов триггеров (прямого Тг 11 и инверсного Тг12) равно Тг 11, Тг 12 01, то коммутируется на выход мультиплексора -Don, если Тг 11, Тг12 00, то +Uon, если Тг 11, 11 на выходе мультиплексора происходит коммутация ±Uox. По управляющему входу 3 мультиплексор 4 устанавливается в выключенное состояние при поступлении сигнала Начальная установка по шине 26.,

Работа аналого-цифровогс преобразователя поясняется временными диаграммами, приведенными на фиг. 9 и осуществляется следующим образом.

При включении прибора или при появлении сигнала Перегрузка с выходной шины 30 на аналого-цифровой преобразователь по шине 26 поступает сигнал Начальная установка (НУ), приводящий отдельные узлы аналого-цифрового преобразователя в исходное состояние,

0 При этом выполняются следующие операции:

-аналоговый мультиплексор 4 устанавливается в исходное состояние Выключено по входу управления 3;

5 - триггеры полутактов 11, ШИС 12, перегрузки 13, двоичный счетчик 8 устанавливается в нулевое состояние по входу R;

-реверсивный двоичный счетчик 7 для устойчивой работы устройства (без сбоев

0 после сигнала НУ) устанавливается по параллельным входам в состояние 1000.0000.0000 (для 12-разрядного аналого- цифрового преобразователя) с единицей в старшем разряде (остальные нули) по входу

5 стробирования РЕ;

-в двоичные счетчики обратного счета 23 и 24 заносятся данные о количестве дополнительных тактов Т+ и Т- с шин 28 и 29 соответственно по сигналу НУ, поступаю0 щему на вход стробирования параллельных входов счетчиков РЕ через второй вход элемента ИЛИ 14.

Для примера (для которого приведены временные диаграммы на фиг. 9) пусть счет5 чики 23 и 24 устанавливаются в состояние 2юи 1 юсоответственно, т.е. число дополнительных тактов Т+ должно быть п+ 2, а число тактов Т- должно быть п- 1. После действия сигнала НУ триггер полутактов 11

0 находится в нулевом состоянии, т.е. начинается первый полутакт. Так как состояние счетчика 23 не нулевое (равное двум), то на его выходе 0 присутствует высокий потенциал (лог, 1), и триггер ШИС 12 устанавлива5 ется в единицу по асинхронному входу S (на втором входе сброса R триггера низкий потенциал). Таким образом, состояние управляющих вхрдрв мультиплексора 4 упр 1, упр 2 Тг 11, Тг 12 00, что приводит к комму0 тации на вход БИПС 5 положительного источника опорного напряжения +Uon. Двоичный счетчик 8 начинает прямой счет от нуля импульсов, поступающих на его синхровход С с выхода генератора опорных

5 импульсов 10. Итак, на вход БИПС 5 в течение всего первого полутакта Т+ поступает положительное опорное напряжение +U0n. В момент первого переполнения двоичного счетчика 8 последний устанавливается в нулевое состояние и сигналом с выхода

переполнения Р перебрасывает триггер полутактов 11 в единичное состояние по счетному входу Т. Единичный сигнал с выхода триггера 11 поступает через элемент задержки 25 (время задержки которого очень мало и о нем будет сказано позже) на вход 2 сброса R триггера ШИС 12 и, так как вход сброса R имеет приоритет перед входом S, то триггер 12 переходит в состояние 0 (инверсный выход в состояние 1). Состояние управляющих входов мультиплексора 4 становится равным упр 1, упр 2 11, и на вход БИПС коммутируется подлежащее измерению напряжение ±UBx в течение всего второго полутакта такта Т+. Двоичный счетчик 8 начинает снова прямой счет импульсов от нуля.

В момент второго переполнения счетчика 8 триггер 11 устанавливается в ноль, заканчивая первый дополнительный такт Т-к Отрицательным перепадом с выхода триггера 11, поступающим на счетный вход С счетчика обратного счета 23 через второй вход элемента И-НЕ 21 (элемент 21 открыт по входу 1 высоким потенциалом с выхода О счетчика 23), происходит уменьшение состояния счетчика 23 на единицу, т.е. содержимое его становится равным 2-1 1. Этот же перепад поступает на вход 1 элемента И-НЕ 22, но так как он закрыт по входу 2, то счета в двоичном счетчике 24 не происходит. После снятия сигнала со второго входа R триггера 12 он устанавливается снова в единицу по асинхронному входу S, так как содержимое счетчика 23 не равно нулю и на его выходе 0 присутствует высокий потенциал. Установка триггера ШИС 12 в единицу (инверсный выход в нуле) и нулевое состояние триггера полутактов 11 вызывают снова коммутацию +Uon на вход блока исключения постоянной составляющей 5 (упр 1, упр 2 - 00). Начинается заполнение счетчика 8 импульсами с генератора 10, и начинается первый полутакт второго дополнительного такта Т+.

В момент третьего переполнения счетчика 8 состояние триггера 11 меняется на обратное, он устанавливается в единицу, выключая по входу 2 сброса R триггер ШИС, и выдает сигнал на вход упр 1 мультиплексора 4 для подключения на его выход напряжения ±UBx(ynp 1,упр2 Тг11,Тг12 11). Начинается второй полутакт второго дополнительного такта Т+ одновременно со счетом в счетчике 8 импульсов с генератора 10.

После четвертого переполнения счетчика 8 триггер полутактов 11 устанавливается в ноль, тем самым заканчивая второй дополнительный такт Т+, и отрицательным перепадом производит счет в счетчике 23,

изменяя его состояние в сторону уменьшения, т.е. содержимое счетчика становится равным 1-1 0, и на его выходе 0 появляется низкий потенциал, запрещающий схе- 5 му И-НЕ 21 и через инвертор 19 разрешающий работу в дальнейшем по входу 2 схемы И-НЕ 22. После установки триггера 11 в ноль снимается сигнал сброса со второго входа R триггера 12. Этот сигнал

0 снимается с некоторой задержкой, определяемой параметрами элементами задержки 25. Небольшая задержка необходима на время переходных процессов в счетчике 23, чтобы при установке счетчика 23 в нулевое

5 состояние сигнал на S-входе триггер 12 снимался быстрее, чем снимается единичный сигнал на его входе сброса R. Иначе триггер 12 перейдет в ложное единичное состояние после того, как в счетчике 23 до0 полнительных тактов Т+ установится ноль. Время задержки значительно меньше полупериода опорных импульсов генератора 10 и не оказывает влияния на точность работы аналого-цифрового преобразователя, но не5 обходимо для его устойчивой работы. Таким образом, после установки триггера 11 в ноль снимается сигнал сброса со второго входа R триггера 12, но он не переходит в состояние 1, так как потенциал на входе S становится

0 равным нулю раньше, т.е. в начале третьего дополнительного такта (такта. Т.) в первом полутакте согласно состоянию управляющих входов упр 1,упр 2 01 мультиплексор 4 выбирает на вход БИПС отрицательный

5 опорный источник -Uon. Так же, как и в предыдущих тактах, отрицательный источник - Don поступает на вход БИПС 5 в течение всего первого полутакта третьего дополнительного такта Т-.

0 После пятого переполнения счетчика 8 триггер 11 по счетному входу Т устанавливается в единицу, происходит отключение от. входа БИПС 5 отрицательного источника -Uon и подключение (упр 1, упр 2 11) вход5 ного напряжения ±Uex во втором полутакте третьего дополнительного такта.

После шестого переполнения двоичного счетчика 8 триггер полутактов 11 устанав- ливается в ноль, заканчивая

0 дополнительный такт Т-. и отрицательным перепадом с его выхода через схему 22 (вход 1), производит счет по входу С на вычитание в двоичном счетчике 24. Содержимое счетчика 24 становится равным 1-1 0, и с его

5 выхода 0 запрещается работа элемента И-НЕ 22 по входу .3. Так как содержимое счетчиков 23 и 24 становится равным нулю, то сигналы с их выходов 0 становятся низкими и после инверсии в элементах 19 и 20 поступают на 1 и 2 входы элемента И 18,

выход которого переходит в состояние логической единицы, разрешая работу элементов И 16 и 17. Начинается первый полутакт последнего и основного ШИС-такта работы устройства. Так как триггер 12 находится в нуле (инверсный выход равен лог. 1), то состояние управляющих входов мультиплексора 4 упр 1, упр 2 - 01, и на вход блока 5 поступает -Uon. Двоичный счетчик 8 начинает счет от нулевого состояния. В момент совпадения кодов двоичного счетчика 8 и двоичного реверсивного счетчика 7 на выходе цифрового компаратора 9 появляется сигнал, поступающий через первый вход разрешенного элемента И 17 на синхронизированный вход установки в единицу I триггера 12 и задним фронтом импульса с выхода генератора импульсов 10, поступающим на вход синхронизации С триггера 12, последний устанавливается в единицу. Такая синхронизация триггера 12 необходима для исключения его ложного срабатывания на время переходных процессов в цифровом компараторе 9. После установки триггера ШИС в единицу (упр 1, упр 2 00) происходит отключение -Uon и подключение положительного источника опорного напряжения +Uon на вход БИПС 5.

После седьмого переполнения двоичного счетчика 8 триггер полутактов 11 устанавливается в единицу, с выхода сбрасывая по второму входу R триггер 12, и удерживает его в нуле на протяжении всего второго полутакта заключительного ШИС-такта независимо от сигнала с выхода элемента И 17(при совпадении кодов счетчиков 7 и 8). Упр 1, упр.2 становится равным 11, поэтому происходит подключение на вход блока 5 ±UBX. Так как вход 1 элемента И 16 разрешен (состояние счетчиков 23 и 24 равно нулю), то на входе формирователя импульсов 15 появляется высокий потенциал (лог. 1).

После восьмого переполнения счетчика 8 триггер 11 переходит в нулевое состояние. На выходе элемента 16 происходит отрицательный перепад, по которому запускается формирователь 15, вырабатывающий на выходе разовый короткий импульс положительной полярности. По этому сигналу, поступающему через элемент ИЛИ 14 (его первый вход) на вход стробирования РЕ, в счетчики обратного счета заносится по параллельным входам DJ информация о количестве тактов Т), и Т- с шин 28 и 29. По переднему фронту этого же импульса происходит счет в реверсивном счетчике 7 по входу С, на вход направления счета +/- которого поступает потенциальный логический сигнал с аналогового компаратора б. Таким образом, состояние реверсивного

счетчика 7 изменится на 1 младший разряд, что приведет в следующем периоде к изменению длительности подключения на вход +Uon (т,шис) на одну младшую ступень.

Фазировка входов аналогового компаратора 6 выбрана таким образом, чтобы направленное изменение содержимого реверсивного двоичного счетчика 7 после каждого периода работы устройства и, следовательно, изменение длительности Тшис приводило в целом во втором полутакте ШИС-такта напряжение на первом входе аналогового компаратора 6 к нулю (условие правильного преобразования). Тогда содержимое реверсивного счетчика будет являться цифровым эквивалентом входного напряжения, выраженном в смещенном коде, где старший разряд знаковый.

Таким образом, после включения прибора и при его перегрузке, после снятия сигнала НУ аналого-цифровой преобразователь последовательно устанавливает в реверсивном счетчике код, соответствующий ±UBx и в дальнейшем осуществляет режим слежения за изменением UBX, т.е. подгоняет tlUMC.

Для частного случая, если в счетчик 23 по шине 28 заносится нулевой код (отсутствие дополнительных тактов Т+), то импульсная последовательность начинает формироваться с дополнительного такта Т-. На выходе счетчика 23 0 низкий потенциал, элемент И-НЕ 21 запрещен, а элемент И-НЕ 22 по входу 2 с выхода инвертора 19 разрешен, и после каждого такта Т- происходит вычитание в счетчике 24. Для другого частного случая, если происходит занесение в счетчик 24 нулевого кода, а состояние счетчика 23 , то формирование импульсной последовательности начинается с тактов Т+, Элемент 22 остается все время запрещенным, и после окончания дополнительных тактов T-f разрешается выработка такта ШИС. Если в счетчики 23 и 24 заносятся нулевые коды (нет дополнительных тактов), выход элемента И 18 всегда имеет высокий потенциал, разрешая формирование после- довательн сти импульсов только из основного ШИС-такта (максимальный диапазон измеряемых входных напряжений).

С учетом предлагаемой структурной схемы аналого-цифрового преобразователя формула преобразования (10) примет другой вид, в которой выполнен переход от длительности к реальным цифровым кодам и для которой Тщис NPCM tr, где NPCH - цифровой двоичный код, хранящийся в реверсивном счетчике 7, tr - период генератора импульсов 10; tn/T (Ммакс + 1) tr, где

Ммакс - максимально возможный код двоичного счетчика 8 (для 12-разрядного аналого-цифровогопреобразователямаксимальный код равен 409510). Таким образом

I .

NP« ., ).).(Nuw + 1)ь

или после сокращения tr

NPC,)2)

Последняя формула (12) является основной формулой преобразования для аналого- цифрового преобразователя с переменной шкалой.

Предлагаемый аналого-цифровой преобразователь выполнен с применением цифровых микросхем серии К564, а именно К564ИЕ10, ИЕ11.ТВ1, КП1, логических элементов К564ЛА7, ЛА9, ЛЕ5, ЛН2. В качестве аналогового компаратора использован интегральный компаратор К597САЗ. Опорные источники собраны на операционных усилителях К140УД14 с прецизионным стабилитроном КС191Ф в цепи обратной связи.

Данное устройство применено для точного измерения медленно изменяющихся входных сигналов и используется в разрабатываемом автономном приборном комплексе СВЧ-радиометррв (длины волн 18 см; 2.3 - см; 0,8 см), предназначенном для дистанционного зондирования природных образований (льдов, мерзлых грунтов) в полевых условиях.

Использование предлагаемого технического решения позволяет расширить функциональные возможности преобразования аналоговых сигналов в цифровые. Это заключается в измененении диапазонов измерения входных напряжений путем введения в периодическую последовательность импульсных сигналов дополнительных тактов подключения на вход положительного и отрицательного опорных источников напряжения ) сохраняя при этом неизменными величины самих опорных источников. Это позволяет выбирать любую необходимую шкалу преобразования, заключенную в пределах величин опорных источников. Изменение шкалы преобразования позволяет повысить точность преобразования, так как уменьшается вес младшего разряда при сохранении величин опорных источников.

Формула изобретения

Аналого-цифровой преобразователь, содержащий счетчик импульсов, аналоговый мультиплексор, первый, второй и третий информационные входы которого соединены соответственно с выходами источников опорного напряжения положительной и отрицательной полярности и со .входной шиной, а выход через блок исключения постоянной составляющей - с первым входом аналогового компаратора, второй вход которого является общей шиной, а выход соединен со входом направления счета реверсивного счетчика, информационные выходы которого являются выходной шиной и соединены с соответствующими первыми входами цифрового

компаратора, вторые входы которого подключены к соответствующим информационным выходам счетчика импульсов, счетный вход которого соединен с выходом генератора опорных импульсов, выход переполнения соединен со счетным входом первого триггера, выход которого соединен с первым управляющим входом аналогового мультиплексора, второй управляющий вход которого подключен к выходу второго триггера, вход синхронизации которого соединен с выходом генератора опорных импульсов, а первый вход установки в нуль объединен со входами установки в нуль первого триггера, счетчика импульсов, входом предварительной установки реверсивного счетчика, входом

установки в нуль третьего триггера, третьим управляющим входом аналогового мультиплексора и является шиной начальной установки, вход установки в единицу третьего триггера соединен с выходом переполнения реверсивного счетчика, а выход является шиной сигнала перегрузки, отличающийся тем, что, с целью расширения области применения за счет возможности изменения диапазона преобразуемых напряжений и повышения точности, в него введены формирователь импульсов, элемент задержки, элемент ИЛИ, первый, второй и третий элементы ,И, первый и второй элементы И-НЕ, первый и второй элементы НЁи первый

и второй счетчики обратного счета, информационные входы каждого из которых подключены к соответствующей шине цифрового кода, инверсный выход первого счетчика обратного счета объединен с первым входом первого элемента И-НЕ, входом первого элемента НЕ и соединен с асинхронным входом установки в единицу второго триггера, синхронизированный вход установки в единицу которого соединен с выходом второго элемента И, первый вход которого соединен с выходом цифрового компаратора, а второй вход соединен с выходом третьего элемента И и объединен с первым входом первого элемента И. второй вход которого объединен со вторым входом первого элемента И-НЕ, первым входом

второго элемента И-НЕ, входом элемента задержки и соединен с выходом первого триггера, а выход первого элемента И соединен через формирователь импульсов с входом счета реверсивного счетчика и с первым входом элемента ИЛИ, второй вход которого является шиной начальной установки, а выход соединен со стробирую- щими входами предварительной установки первого и второго счетчиков обратного счета, счетные входы которых соединены соответственно с выходами первого и второго элементов И-НЕ, второй вход последнего из которых объединен с первым входом третьего элемента И и подключен к выходу первого элемента НЕ, третий вход через второй элемент НЕ объединен со вторым входом третьего элемента И и соединен с инверсным выходом второго счетчика обратного счета, при этом выход элемента.задержки соединен со вторым входом установки в нуль второго триггера.

Фиг.Ч

Изобретение относится к электроизмерительной технике, может найти применение в измерительных устройствах для преобразования постоянного напряжения в цифровой код. Изобретение позволяет расширить область применения аналого-цифрового преобразователя за счет возможности изменения диапазона преобразуемых напряжений и повысить его точность. Это достигается путем введения в преобразователь, дополнительно формирователя импульсов, элемента задержки, элемента ИЛИ. трех элементов И, двух элементов И-НЕ, двух элементов НЕ и двух с счетчиков обратного счета.& СП С

Дополнительные такты Дополнительные такты

только 71

Л/т

-l/oo

Дополнительны

Л/т

Фиг. &

Зополнитепьные такты основной тащ

i

Вых. Тг ИА Ц Вых. эл. ИЈ /8

Вдчетчикр ,, ш.; «.о 23

Вых. эл.Ц-НЕ 22

Вых. ЭЛ.И 2Q

Выл. Тг шмси Йых. эл.И J6

8ых. Ф «

Вых.эл.И fffj

Вхо

лп.

,1йио(ируггпся