Аналого-цифровой преобразователь с частотным преобразованием Советский патент 1992 года по МПК H03M1/60 

Недостатками известного и близкого по технической сущности и решаемой задаче аналого-цифрового преобразователя (АЦП) является то, что в нем имеют место дополнительные погрешности, возникающие от квантования в процессе формирования тактов работы АЦП и результирующего кода, а также от изменения временного кванта работы с изменением времени измерения. Целью изобретения является повышение точности. АЦП содержит преобразователь 8 напряжения в частоту импульсов, выключатель 11, ключ 10, переключатель 9, блок 47, синхронизации, три счетчика 12-14, три триггера 16-18,одновибраторы 19-21, генератор 46 и формирователь 24 импульсов, логические элементы И/ИЛИ. Новым является введение двух формирователей 25 и 26 импульсов, двух одновибраторов 22 и 23, четырех элементов И, двух элементов ИЛИ, счетчика 15, благодаря которым формируемые такты работы АЦП равны целым числам преобразуемых частот. Изменение в широких пределах времени измерения не оказывает влияния на основной вр§менный квант работы, и в АЦП выполняется коррекция результата преобразования с уменьшенным временным квантом, что повышает разрешающую способность и точность его работы. 1 з.п. ф-лы, 3 ил.

Изобретение относится к импульсной технике, в часУности к преобразователям напряжения в цифровой код с промежуточным преобразованием напряжения в частоту импульсов, и может быть использовано в прецизионных устройствах сбора аналоговой информации систем контроля и управления технологическими процессами.

Изобретение относится к области импульсной техники, в частности к преобразователям напряжения в цифровой код с промежуточным преобразованием напряжения в частоту импульсов.

Среди широко известных аналого-цифровых преобразователей (АЦП) с частотным преобразованием большую группу составляют АЦП с интегрированием входного напряжения в течение времени Ти, задаваемого внешним сигналом, длительность которого изменяется в соответствии с изменением периода Тп помехи, наложенной на преобразуемый сигнал. В этом группе выгодно отличаются по точности и быстродействию АЦП, в которых совмещается по времени компенсация как изменения Тп, так и изменения коэффициента преобразования К преобразователя напряжения в частоту импульсов ПНЧ, и это выполняется в процессе интегрирования входного сигнала ПНЧ, что обеспечивает высокую точность и сокращает общее время преобразования.

Известен АЦП, в котором измеряется длительность Тп и величина ее изменения используется для выполнения цифровой коррекции результата преобразования при подсчете каждого импульса в течение времени измерения Ти. В этот АЦП входят ПНЧ, вычитатель, переключатель, ключ(два счетчика, блок синхронизации и коррекции, генератор и формирователи импульсов, триггеры и логические элементы И и ИЛИ.

Однако в АЦП небольшие изменения Тп компенсируются и не влияют на точность преобразования а увеличение диапазона изменения Тп приводит к дополнительным

погрешностям, которые возрастают с увеличением Тп.

Наиболее близким к предлагаемому является АЦП, в котором, выполняется преобразование Тп в код Мп, по которому формируется длительность кванта работы АЦП т.п. Использование Тп при получении результата преобразования исключает погрешности отТп в широком диапазоне изменения его величины.

Этот АЦП содержит переключатель, первый вход которого соединен с входной шиной преобразуемого напряжения и входом ключа, выход - с преобразователем напряжения в частоту импульсов, а второй

вход- с выходом аналогового вычитателя,

первый вход которого соединен с входной

шиной опорного напряжения, а второй входс выходом ключа, управляющий вход которого подсоединен к выходу первого элемента И, первый вход которого соединен с выходной шиной ответа, первый рдновибра- тор, выход которого соединен с выходной шиной запуска, а выход -с входами установки в исходное состояние первого и второго триггеров первого и второго счетчиков, выходы разрядов первого из которых средине- ны с шинами результата преобразования, а выходы второго - с входами первого элемента ИЛИ, счетный вход второго старшего разряда первого счетчика соединен с выходом второго элемента И, первый вход которого соединен с счетным входом второго счетчика и с выходом третьего элемента И,

первый вход которого подсоединен к преобразователю напряжения в частоту импульсов, счетный вход первого младшего разряда первого счетчика соединен с выходом второго элемента ИЛИ, первый вход

которого подсоединен к выходу четвертого элемента И, а второй вход - через второй одновибратор к выходу пятого элемента И, первый вход которого соединен с первым выходом третьего одновибратора, второй выход которого подсоединен к первому входу шестого элемента И, первый вход четвертого элемента И соединен с нулевым выходом третьего триггера, единичный вход которого подсоединен к выходу седьмого элемента И, нулевые выходы первого и второго триггеров соединены с входами восьмого элемента И, третий элемент ИЛИ, генератор импульсов, выход которого подсоединен к счетному входу третьего счетчи- ка, вход записи кода которого соединен с входом четвертого элемента ИЛИ, первый вход которого объединен с первым входом девятого элемента И, выход которого соединен с входом старшего разряда третьего счетчика, входы старших и младших разрядов которого соединены с кодовыми выходами блока синхронизации, а выход переполнения - через первый формирователь импульсов с первым входом последне- го, второй вход которого является шиной синхронизации, и с вторыми входыми четвертого элемента ИЛИ и девятого элемента И, причем у первого элемента И выход подсоединен к входу первого элемента ИЛИ, второй вход- к единичному входу второго триггера, третий вход - к нулевому выходу первого триггера, к третьему входу блока синхронизации и к входу управления вычитанием второго счетчика, вход установки в исходное состояние которого соединен с входом первого элемента ИЛИ, выход которого подсоединен к нулевому входу третьего триггера, нулевой выход которого является шестой шиной, счетный вход вто- рого триггера соединен с третьей шиной и первым входом седьмого элемента И, второй вход которого соединен с входом управления переключателя, с первым входом девятого элемента И и с нулевым выходом первого триггера, единичный вход которого соединен с выходом третьего элемента ИЛИ, входы которого подсоединены к выходам разрядов первого счетчика и к выходу восьмого элемента И, который объединен с вторыми входами второго и шестого элементов И, третий вход и выход последнего подсоединены соответственно к счетному входу и входу управления вычитанием первого счетчика, вторые входы четверг того и пятого элементов И соединены с выходом первого формирователя, а третий вход пятого элемента И соедине н с вторым входом третьего элемента И и с шиной ответа.

то Ux U0

нал т

Преобразование входного напряжения Ux выполняется в три такта. Сначала ПИН преобразует Ux в частоту FXI К Ux п

течение Т1 Ти.

При этом через время тгТи получается

предварительный результат преобразования Xi, который используется для определения окончания Ti и начала Т2. За Т формируется код NI FXI TI. В Т2 ПНЧ преобразует напряжение () в частоту Fx2. Заканчивается Та с окончанием Ти, а в Тз ПНЧ преобразует напряжение U0 в частоту F0.

Окончание Тз определяется в момент, когда разность между NI и числом импульсов, сформированных ПНЧ за (Т2 + Тз), становится равной нулю. Уравнение преобразование можно записать в следующем виде:

NI К UxTi. К (U0 - Ux) T2 + К и0Тз.

Так как Ти Ti + Тг, Т2+Тз

Ти

нал т

Временный интервал (Т2 + Тз) преобразуется в код X с помощью временного кванта Тп Tn/Nm : (Т2 + Тз) xtn. поэтому

нал т

Ux 1и

у Ти у Л . . . - Л

Nm

где А-квант АЦП.

При этом для обеспечения в АЦП разрешающей способности, равной М0, должны быть выполнены следующие соотношения между параметрами: время измерения Ти 2Тп 2Notn, максимальный вы.ходной сигfUo квант tn 2

N

m

2N0,

нал т

Uc

максимальная частоV П Д W Т Л. - . ТТГ - ГчОагН /Liv ,--п к I (

No 2 No

та работы ПНЧ F0 KU0, а минимальное время Тимин измерения Ux должно удовлетворять уравнению

1

7ГТцмин

No/Fo, откуда

F0- 2Ы0/Тимин, и минимальный временный квант Тмим 1/Fo,

Таким образом в АЦП выполняется точное преобразование Ux в код X, на который не оказывают влияние изменения параметров К и Ти, последний из которых в отличие от аналога может изменяться в широких пределах.

Однако в этом АЦП имеют место погрешности, возникающие от следующих факторов.

При получении NI погрешность может достигать двух квантов (+1 в начале Ti и -1В в его конце). При формировании + Тз)

возникает временная погрешность длительностью 1/Fx2, приводящая к ошибке в - 2 кванта в результате преобразования. Возникают ошибки квантования (Т2 + Тз) при получении X, которые могут достигать +1 в начале Т2 и -1 в конце Тз. Имеет место увеличение всех этих погрешностей при увеличении времени Ти из-за увеличения кванта по сравнению с минимальным квантом работы АЦП т,Мин 1/Fo.

Последующий фактор будет оказывать наибольшее влияние при выполнении преобразования в течение значительного времени Ти, соответствующего нескольким периодам Тп. В этом случае имеющиеся у АЦП точностные характеристики полностью не используются, С увеличением Ти возможно получать более высокие разрешающую способность АЦП и точность, которая определяется предельными значениями погреш- ностей аналоговых элементов АЦП. В прототипе это невозможно, так как квант его работы увеличивается с увеличением Ти и разрешающая способность остается постоянной, а точность работы АЦП зависит от погрешностей, которые возникают от трех рассмотренных факторов, и их суммарная величина может достигать 4 квантов.

Целью изобретения является повышение точности работы АЦП.

Поставленная цель достигается тем, что в АЦП с частотным преобразованием, содержащий переключатель, первый вход которого соединен с входной шиной преобразуемого напряжения и входом ключа, вы- ход - с преобразователем напряжения в частоту импульсов, а второй вход - с выходом аналогичного вычитателя, первый вход которого соединен с входной шиной опорного напряжения а второй вход- с выходом ключа, управляющий вход которого подсоединен к выходу первого элемента И, первый вход которого соединен с выходной шиной ответа, первый одновибратор, вход которого соединен с выходной шиной ответа, пер- вый одновибратор, вход которого соединен с входной шиной запуска, а выход -с входами установки в исходное состояние первого и второго триггеров., первого и второго счетчиков, выходы разрядов первого из которых соединены с шинами результата преобразования, а выходы второго -с входами первого элемента ИЛИ. счетный вход второго старшего разряда первого счетчика соединен с выходом второго элемента И, первый вход которого соединен с счетным входом второго счетчика и с выходом третьего элемента И, первый выход которого подсоединен к преобразователю напряжения в частоту импульсов, счетный вход первого

младшего разряда первого счетчика соединен с выходом второго элемента ИЛИ. первый вход которого подсоединен к выходу четвертого элемента И, а второй вход через второй одновибратор - к выходу пятого элемента И, первый вход которого соединен с первым выходом третьего одновибратора, второй выход которого подсоединен к первому входу шестого элемента И, первый вход четвертого элемента И соединен с нулевым выходом третьего триггера, единичный вход которого подсоединен к выходу седьмого элемента И, нулевые выходы первого и второго триггеров соединены с входами восьмого элемента И, третий элемент ИЛИ, генератор импульсов, выход которого подсоединен к счетному входу третьего счетчика, вход записи кода которого соединен с выходом четвертого элемента ИЛИ, первый вход которого объединен с первым входом девятого элемента И, выход которого соединен с входом старшего, разряда третьего счетчика, входы старших и младших разрядов которого соединены с кодовыми выходами блока синхронизации, а выход переполнения - через первый формирователь импульсов с первым входом последнего, второй вход которого является шиной синхронизации, и с вторыми входами четвертого элемента ИЛИ и девятого элемента И, введены четвертый счетчик, четвертый и пятый одновибраторы, второй и третий формирователи импульсов, с десятого по тринадцатый элементы И, пятый и шестой элементы ИЛИ, первый вход последнего соединен с выходом второго формирователя импульсов и с вторым входом пятого элемента И, второй вход - с выходом первого формирователя импульсов и с первыми входами двенадцатого и тринадцатого элементов И, а выход - с входом записи четвертого счетчика, счетный вход которого подсоединен к выходу генератора импульсов, выход переполнения - к входу второго формирователя импульсов и к второму входу четвертого элемента И, а входы разрядов - к входам старших разрядов третьего счетчика, вход управления вычитанием и вход первого младшего разряда первого счетчика объединены, вход его первого старшего разряда соединен с выходом тринадцатого элемента И, а выход переполнения - с единичным входом второго триггера единичный выход которого подсоединен к первым входам третьего и пятого элементов ИЛИ и к третьему и первому входам соответственно четвертого и седьмого элементов И, Р выход - к второму входу второго элемента И, а нулевой вход - к выходу двенадцатого элемента И, второй вход

которого через четвертый одновибратор соединен с нулевым входом третьего триггера и с выходом третьего формирователя импульсов, вход которого подсоединен к второму входу третьего элемента.И к выходу первого элемента ИЛИ, последний вход которого соединен с вторым выходом шестого элемента И, выход которого подсоединен к входу управления переключателя, с вторыми входами седьмого элемента И и третьего элемента ИЛИ, с третьим входом пятого элемента И, с первым входом десятого элемента И и с единичным выходом первого триггера, нулевой вход которого подсоеди - нен к нулевому выходу третьего триггера, а нулевой выход и единичный вход - соответственно к первому входу и к выходу одиннадцатого элемента И, второй вход которого соединен с выходом преобразователя напряжения в частоту, а третий вход - через пятый одновибратор с выходом первого одновибратора, с входом установки в исходное состояние третьего триггера и с третьим входом блока синхронизации, четвертый вход которого подсоединен к выходу и первому входу соответственно восьмого и девятого элементов И, пятый вход и кодо вые входы.- к инверсным шинам, первый выход - к второму входу десятого элемента И, выход которого соединен с входом третьего одновибратора, второй выход - к третьему входу второго элемента И, третий выход - к вторым входам первого элемента И и пятого элемента ИЛИ, выход которого соединен с вторым входом тринадцатого элемента И, третий «вход которого соединен с выходом третьего элемента ИЛИ и с первым входом первого элемента И, единичный выход третьего триггера подсоединен к выходу управления вычитанием второго счетчика, счетный вход которого соединен с третьим входом седьмого элемента И.

При этом блок синхронизации выполнен на двух счетчиках, регистре, двух формирователях импульсов, одновибраторё, трех элементах И, трех элементах ИЛИ и схеме сравнения, первые кодовые входы которой являются кодовыми входами блока, его кодовыми входами являются выходы разрядов регистра, первым входом - счетный вход первого счетчика, который подсоединен к первому входу первого элемента И, вторым входом - первые входы второго и третьего элементов И, третьим входом - первые входы первого и второго элементов ИЛИ, четвертым входом - вторые входы первого и третьего элементов И, которые подсоединены к выходу управления .вычитанием второго счетчика и к входу дополнительного разряда схемы сравнения, пятым

входом - первый вход третьего элемента ИЛИ, первым, вторым и третьим выходами - соответственно выход переполнения, нулевые и единичные выходы старшего раз- 5 ряда второго счетчика, последний и все его остальные выходы соединены с соответствующими входами разрядов регистра, вход записи кода которого подсоединен к выходу третьего элемента ИЛ И и через первый фор0 мирователь импульсов - к второму входу первого элемента ИЛИ, выход которого соединен с входом установки исходного состо- яния второго Счетчика, вход первого младшего разряда которого подсоединен к

5 выходу первого элемента И и к второму вхо- ду второго элемента И, вход второго мляд- шего разряда - к второму входу второго элемента ИЛИ и через второй формирователь импульсов - к выходу схемы сравнения,

0 вторые кодовые входы которой соединены с выходами разрядов первого счетчика, вход установки исходного состояния которого подсоединен к выходу второго элемента ИЛ И, а второй и третий входы третьего эле5 мента ИЛИ соединены соответственно с вы- ходом третьего элемента И и через одновибратор с выходом второго элемента И.

В предлагаемом АЦП исключены пер0 вый и второй виды дополнительных погрешностей прототипа, уменьшены погрешности третьего вида и обеспечен режим работы АЦП с измерением Ux в течение Ти рТп без изменения кванта tp при увеличении величи5 ны р 1. Для этого в АЦП обеспечивается начало преобразования и окончания Tt, a тем самым началом окончание Та, в течение которого формируется результат преобразования Хр, по импульсам от ПНЧ, что иск0 лючает погрешности, возникающие в прототипе при получении NI и формировании Т2.

Измерение Т2 выполняется с коррекцией погрешностей, возникающих в прото5 типе от временных интервалов в начале и в конце Т2 (т.2и и т.2к), которые по длительности меньше tn. Эти интервалы времени преобразуются в коды с меньшим временным квантом, который изменяется как и при изменении Тп (tn1 - tn). Полученные коды

корректируют результат Хр,

Время измерения Ux в АЦП устанавливается по внешней команде. По управляю- 5 щим интерфейсным шинам передается код р, указывающий на число периодов Тп, за которое должны быть выполнены интегрирование и преобразование входного сигнала (Тц рТп). В отличие от прототипа изменение величины Ти при изменении р не

влияет на временной квант tn работы АЦП, Это позволяет с увеличением р повышать разрешающую способность АЦП и полностью использовать его предельные точностные характеристики.

На фиг.1 и 2 даны блок-схемы АЦП блока синхронизации; нафиг.З -временныедиаграммы их работы.;

АЦП содержит входные шины 1-4 преобразуемого и опорного /напряжений, синх- ронизации и запуска АЦП в работу, интерфейсные шины 5 управления, выходные шины Готовность 6 и результата преобразования 7, преобразователь 8 напряжения в частоту импульсов, переклю- чатель 9, выход которого подсоединяется к первому входу при наличии сигнала управления и к второму входу при его отсутствии, ключ 10, выход и вход которого соединены при наличии управляющего сигнала, знало- говый вычитатель 11, с первого по четвертый счетчики 12-15, с первого по третий триггеры 16-18, с первого по пятый одно- вибраторы 19-23, с первого по третий формирователи 24-26 импульсов, с первого по тринадцатый элементы И 27-39, с первого по шестой элементы ИЛИ 40-45, генератор 46 импульсов, блок 47 синхронизации.

Блок 47 синхронизации (фиг.2) содержит 48,49 - первый 48 и второй 49 счетчики. регистр 50, схему 51 сравнения кодов, первый 52 и второй 53 формирователи импульсов, одновибратор 54, первый 55, второй 56 и третий 57 элементы И, первый 58, второй 59 и третий 60 элементы ИЛИ.

На временной диаграмме (фиг.З) обозначены импульсы 61 синхронизации шины 3, сигнал 62 управления шины 5, сигнал 63 на выходе элемента И 34, импульсы 64 на выходе элемента ИЛИ 60, импульсы 65 и 66 одновибраторов 19 и 23, сигналы 67-70 на единичных выходах старшего разряда счетчика 49 и триггеров 16-18, сигнал 71 на выходе элемента ИЛИ 40, импульсы 72 и 73 на выходах формирователя 26 и одновибра- тора 22, временные интервалы 74 работы элемента И 30, сигнал 75 ответа на шине 6. В АЦП шина 1 соединена с первым входом переключателя 9 и с входом ключа 10, шина 2-е первым входом вычитателя 11, шина 3 - с вторым входом блока 47, шина 4 - с входом одновибратора 19. шины 5 - с пятым и с кодовыми входами блока 47, шина 6 - с выходом элемента И Л И 42, первым и третьим входами элементов И 27 и 39, шины 7 - с выходами разрядов счетчика 12, у которого вход управления вычитанием и вход первого младшего разряда объединены и соединены с выходом элемента ИЛИ 41, вход установки исходного состояния соединен с одноименными входами счетчика 19 и триггеров 16-18; с третьим входом блока 47, С выходом одновибратора 19 и через одно- вибратор 23 - с третьим входом элемента И 37, выход переполнителя соединен с единичным входом триггера 17, входы первого и второго старших разрядов - соответствен но с входами элементов И 39 и 28, выходы разрядов счетчика 13 соединены с входами элемента ИЛИ 40, вход управления вычитанием - с единичным выходом триггера 18, а счетный вход с выходом элемента И 29 и с первым и третьим входами соответственно элементов И 28 и 33, входы разрядов счетчика 14 соединены с кодовыми выходами блока 47, из них старшие разряды обьеди нены с входами разрядов счетчика 15, счетные входы этих счетчиков подсоединены к выходу генератора 46, входы записи кодов - к выходам соответственно элементов ИЛ И 43 и 45, выходы переполнителя - соответственно к входам формирователей 24 и 25, последний из которых соединен с вторым входом элемента И 30, вход старшего разряда счетчика 14 соединен с выходом элемента И 35, выход формирователя 24 соединен с первыми выходами блока 47, элементов И 38 и 39, с вторыми входами элементов ИЛИ 43 и 45 и И 35, вход формирователя 25 соединен с первым входом элемента ИЛИ 45 и вторым входом элемента И 31,- выход ПНЧ 8 соединен с первым и вторым входами соответственно элементов И 29 и 37, а вход - с выходом переключателя 9, управляющий и второй вход которого соединены соответ- стеино с выходами элемента И 32 и вычитателя 11, второй вход которого подсоединен к выходу ключа 10, управляющий вход:кото- рого соединен с выходом элемента И 27, второй вход которого соединен с третьим выходом блока 47 и с вторым входом элемента ИЛИ 44, первый вход которого соединен с единичным выходом триггера 17, с первыми входами элемента ИЛИ 42 и И 33 и с третьим входом элемента И 30, выход элемента ИЛИ 44 подсоединен к второму входу элемента И 39, второй вход элемента ИЛИ 42 соединен с единичным выходом триггера 16, с вторыми входами элементов И 32 и 33, с третьим входом элемента И 31, с первым входом элемента И 36 и с последним входом элемента ИЛИ 40, выход которого соединен с вторым входом элемента И 29 и через формирователь 26 - с нулевым входом триггера 18 и с входом одновибратора 22, выход которого соединен с вторым входом элемента И 38, выход которого соединен с нулевым входом триггера 17, нулевой выход которого соединен с вторыми входами элементов И 28 и 34, первый вхОд

последнего соединен с нулевым выходом триггера 16 и с первым входом элемента И 37, а выход - с первыми входами элементов ИЛИ 43 и И 35 и с четвертым входом блока 47, первый и второй выходы которого соединены соответственно с вторым и третьим входами элементов И 36 и 28, выход первого из которых соединен с входом одновибрато ра 21, единичный и нулевой выходы которого соединены соответственно с первыми входами элементов И 31 и 32, выход первого из которых через одновибратор 20 соединен с вторым входом элемента ИЛИ 41, первый вход которого соединен с выходом элемента И 30, первый вход которого соединен с нулевым входом триггера 16 и нулевым выходом триггера 18, единичные входы которых соединены соответственно с выходами элементов И 37 и 33.

В блоке 47 синхронизации кодовые входы соединены с первыми кодовыми входами схемы 51 сравнения, кодовые выходы - с выходами разрядов регистра 50, первый вход - с счетным входом счетчика 48 и первым входом элемента И 55, второй вход - с первыми входами элементов И 56 и 57, третий вход - с первыми входами элементов, ИЛИ 58 и 59, четвертый вход - с вторыми входами элементов И 55 и 57, с входом дополнительного разряда схемы 51 и с входом управления вычитанием счетчика 49, пятый вход - с первым входом элемента ИЛИ 60, первый, второй и третий выходы -с выходом переполнения, нулевым и единичным выходами старшего разряда счетчика 49, последний и все остальные выходы разрядов которого соединены с входами разрядов регистра 50, вход записи кода которого .соединен с выходом элемента ИЛИ 60 и через формирователь 52 - с вторым входом элемента ИЛИ 58, выход которого соединен с входом установки исходного состояния счетчика 49, вход первого младшего разряда которого соединен с выходом элемента И 55 и с вторым входом элемента И 56, а вход второго младшего разряда - с вторым входом элемента ИЛИ 59 и через формирователь 53 - с выходом схемы 51, вторые кодовые входы которой соединены с выходами разрядов счетчика 48, вход установки исходного состояния которого соединен с выходом элемента ИЛИ 59, а второй и третий входы элемента ИЛИ 60 соединены с выходом элемента И 57 и через одновибратор - с выходом элемента И 56.

Предложенный АЦП работает следующим образом.

В интервалы времени, когда не выполняется преобразование входного напряжения и действует сигнал 63, в АЦП, как и и прототипе, формируется номинальный пре менный квант его работы t0-N0t, где t период частоты f генератора 46 импульсов.

5 Это выполняется с помощью счетчика 14, имеющего емкость 2N0. На его счетный вход поступают импульсы f, а на вход старшего разряда - импульс формирователя 24. проходящий через элемент И 35, работа которо10 го разрешена сигналом 63. Формирователь 24 запускается импульсом.переполнения счетчика 14, который возникает с частотой fo - 1 /to, так как в счётчик 14с каждым из этих импульсов записывается код N0. Им15 пульсы f0 поступают на счетный вход первого младшего разряда счетчика 49 через элемент И 55, работа которого разрешена сигналом 63, включающим режим вычитания в счетчике 49, который имеет емкость

0 2Мо. С его помощью выполняется измерение периода Тп импульсов 61 и представление его в дополнительном до 2 No коде:

N ng 2N0-Nn.

где Nn Тп fo, 5 или Tn Nn to Nn No -t.

Как и в прототипе, to 1/Fo, где F0 k Uo, a U0 2Um, где Um - максимальная величина Ux.

0 Импульс 61 проходит через элемент И 57, работа которого разрешена сигналом 63, затем - через элемент ИЛИ 60 в случае, если сигнал 62 управления синхронизатором 47 по интерфейсной 5 отсутствует, на

5 вход записи кода регистра 50 (импульсы 64) и записывает в нем код,.накопленный к этому моменту в счетчике 49. Одновременно с этим запускается формирователь 52, импульс которого проходит через элемент

0 ИЛИ 58 и устанавливает нулевой код в счетчике 49. Процесс повторяется, и с каждым импульсом 61 при изменении Тп в регистре 50 получается новый код Nnfl.

5 Для исключения записи недостоверного кода Мпд в моменты времени переходных процессов в счетчике 49 при совпадений импульсов f0 и 61 в АЦП введены элементы И 56 и одновибратор 54, выходной импульс

0 которого для этих моментов времени осуществляет расширение импульса 64. Это обеспечивает сдвиг момента записи Кпд в регистр 50 после окончания переходных процессов в счетчике 49.

5 Код Ыпд используется для формирования нового временного кванта in работы АЦП и времени Ти измерения входного напряжения, которое начинается после прихода импульса пуска по шине 4.

Этот импульс запускает одновибратор 19, а его выходной импульс 65 устанавливает или подтверждает исходное состояние триггеров 16-18. счетчиков 12, 13 и 49 и запускает одновибратор 23. Импульс 66 последнего разрешает работу элемента И 37 и через него проходит импульс Fo KUo с выхода ПНЧ 8, на вход которого подано опорное напряжение Uo, так как сигналы 68 и 75 отсутствуют. По заднему фронту этого импульса FO устанавливается в Гтриггер 16, с появлением его выходного сигнала 68 начинается процесс интегрирования и преобразования входного напряжения Ux.

Сигнал с нулевого выхода триггера 16 снимается и снимает сигнал 63 с выхода элемента И 34. Это запрещает работу элементов И 35, 37. 55 и 57, а задний фронт сигнала 63 через элемент ИЛ И 43 записывает в счетчик 14 код МПд. В этом счетчике через Мп импульсов f возникает переполнение, а импульс формирователя 24 вновь запишет в счетчик 14 код Мпд. Так формируется новый квант работы АЦП, длительность которого равна tn Nnt. Одновременно с квантом tn формируются меньшие по длительности временные кванты tn1

- tn -- t. Для чего каждый импульс tn

qq

проходит через элемент ИЛИ 45 и записывает в счетчик 15 код Мпд/q старших разрядов регистра 50, из которых младший разряд имеет вес q. На счетный вход счетчика 15 поступают импульсы f и через Nn/q импульсов в нем возникает импульс переполнения, который запустит формирователь 25, а он своим импульсом, проходящим через элемент ИЛИ 45, вновь запишет код Мпд/q в счетчик 15. Импульс переполнения счетчика 15 будет формироваться через

время tn Мп

t. При этом накопленная

суммарной временной погрешности из-за использования только старших разрядов кода Мпд для формирования tn не происходит, так как через q импульсов tn1 происходит синхронизация работы счетчика 15 импульсами tn с выхода формирователя 24.

Импульсы tn поступают на счетный вход счетчика 48, с помощью которого и счетчика 49 формируется время Ти измерения (интегрирования) входного сигнала. Длительность Ти должна быть кратна Тп, а число р этих периодов Тп в Ти задается по интерфейсным кодовым шинам 5. Через р импульсов tn на выходе схемы 51 сравнения появится сигнал; так как код счетчика 48 и входной код р синхронизатора 47 совпадут.

При наличии сигнала 63 на дополнительном входе схемы 51 этого совпадения не происходило и выходной сигнал отсутствовал. При появлении сигнала на выходе схемы 51 по его переднему фронту запустится формирователь 53 и его импульс поступает на счетный вход второго младшего разряда счетчика 49 и установит в О счетчик 48 через элемент ИЛИ 59. Импульсы формирователя 53 будут возникать через р импульсов tn и они будут подсчитываться счетчиком 49, а при его переполнении заканчивается Ти.

Так как емкость счетчика 49 равна 2М0, а импульсы формирователя 53 подаются на его второй разряд, то

Тн No ptn No р Мп t рТп. Величина р может изменяться от 1 до pm в тех случаях, когда Тп соответствует перио- ду помехи. Если Тп-представляет собой дли- тельность полупериода помехи, как это было в прототипе, то задаваемый код р будет принимать значения от2 до 2pm.

Для последнего случая, как и в прототи- пе. минимальная величина Тимин 2N0to, т.е. сохранен минимальный временной интервал Тмин 1/Fo.

Поэтому для случая, когда Тп

соответствует периоду помехи, получаемая

максимальная величина Мп будет равна 2N0.

Сигналы с единичного и нулевого выхо4дов старшего разряда счетчика 49 имеют

длительность - Ти и используются для управления работой АЦП.

С появлением сигнала 68, который проходит через элемент И 32 на управляющий вход переключателя 9 и подключает Ux к ПНЧ 8, начинается интегрирование Ux и

преобразование его в импульсы Fxi KUX. Эти импульсы поступают на счетчик 13 через элемент И 29, работа которого разрешена сигналом 68, прошедшим через элемент ИЛИ 40. Выходные импульсы элемента И 29

поступают также на второй старший разряд счетчика 12 через элемент И 28, работа которого разрешена сигналами с нулевых выходов триггера 17 и старшего разряда

1

счетчика 49, т.е. в течение Ти. За это время в старших разрядах счетчика 12 будет сформирован код Xi предварительного результата преобразования

X1 2FX1 Fxi -Ти.

Величина этого кода используется для определения момента времени подключения к ПНЧ 8 сигнала (U0 - Ux) вместо Ux. Для этого с началом сигнала 67, который проходит через элемент И 27, ключ 10 подключает

Ux на вычитающий вход вычитателя 10, образующего сигнал (Uo - Ux). Этот же сигнал проходит через элемент ИЛИ 44 и разрешгк ет совместно с сигналом 75 прохождение через элемент И 39 импульсов tij на счетный вход первого старшего разряда счетчика 12. В нем код Xi будет увеличиваться до появления импульса переполнения, который установит в Г триггер 17 (сигнал 69). Это произойдет через время (М0 - Xi)tn после начала сигнала 67. Переключение напряжения на входе ПНЧ 8 осуществляется не сигналом 69, а после окончания очередного импульса FXI, проходящего через элемент И 33, работа которого разрешается сигналами 68 и 69, и устанавливающего в 1 триггер 18, который своим сигналом с нулевого выхода устанавливает в О триггер 16. При снятии сигнала 68 переключатель 9 подключает напряжение (Uo. - Ux) вычитателя 11 к ПНЧ 8, в котором начинают формироваться импульсы Fx2 К (U0 - Ux).

За прошедшее время NI - Тн+ (No -xi) ttn когда действовал сигнал 68, было сформировано целое число импульсов Ni KFxiTi, которые подсчитаны счетчиком 13.

Сигнал 70 с единичного выхода триггера 18 включает режим вычитания в счетчике 13 и импульсы Fxa будут уменьшать в нем код Ni до нуля, что произойдет через время Та, когда на всех выходах элемента ИЛИ 40 сигналы отсутствуют И снимается его выходной сигнал 71. Это запрещает работу элемента И 29 и запускает формирователь 26, импульс 72 которого устанавливает в О триггер 18 и запускает одновибратор 22. Его импульс 73 разрешает работу элемента И 38. через который проходит первый импульс tn и устанавливает в О триггер 17. На этом процесс преобразования заканчивается; снимаются сигналы 69 и 75 и запрещается работа элементов И 30 и 39.

Окончание Т2 в большинстве случаев будет проходить после окончания Гц, поэтому с окончанием Ти напряжение Ux отключается от ПНЧ 8, чтобы обеспечить интегрирование Ux только в течение Ти, и на вход ПНЧ 8 подается напряжение Uo. которое преобразуется в FO Шо. Это обеспечивается со снятием сигнала 67, который снимает сигнал с выхода элемента И 27, и ключ 10 отключает напряжение Ux от вычитателя 11, выходной сигнал которого становится равным Uo.

Поэтому в течение Тг на выход ПНЧ 8 напряжение Uo подается непрерывно, а-напряжение Ux подключается на время (No -Xl)tn.

За это время формируется целое число импульсов, равное

Ni К {Uo T2-(N0-Xi) (U0 - UxKNo - Xi)tn} K UoT2-Ux(No-Xi)tn.

Используя значения Ni, полученные за Ti, и приняв их, получим.

N1 К Ux Ti К U0 T2 - Ux (No - Xi) tn

или ихТп OoT2 и T2 Ux .

Uo

Таким образом, длительность t2 сигнала 70 соответствует величине Ux, измеренной в течение Ти..

Преобразование Тг в код Xz для получения результата преобразования осуществляется с помощью импульсов tn. которые проходят в течение сигнала 69 через элемент И 39 на вход первого старшего разряда счетчика 12, образуя в его старших разрядах

KOflX2 T2/tn.

Длительность сигнала 69 будет равна целому числу Хг импульсов tn, но она не равна длительности Т2 сигнала 70 и больше его длительности на tn и т, так как начало и конец последнего задаются импульсами ПНЧ 8, которые не синхронны с импульсами tn. Поэтому результат Х2 корректируется (уменьшается), для чего используются меньшие временные кванты tn1 и выделяются временные интервалы перекрытия сигналом 69 сигнала 70 с помощью элемента И 30. Импульсы tn1 с его выхода через элемент ИЛИ 41 поступают на вход управления вычитанием и на младший разряд счётчика 12.

В течение I и т временных интервалов 74 работы элемента И 30 на вход младшего разряда счетчика 12 поступит (Х2н + Х2к) импульсов tn1. а длительность (IH + IK) равна разности длительностей сигналов 69 и 70.

Код Ха получается в старших разрядах счетчика 12 при использовании временного кванта tn g tn1, поэтому вес его первого старшего разряда должен быть q. В результате вычитания (Х2п + Х2к) из Х2 в нем будет получен код Хр qX2 - (Х2н + Х2к), который соответствует длительности Т2, измеренной с помощью кванта tn1. Действительно, Хр Т2Лп,таккакТ2 Х21п-(Х2и +Х2к)1и1 Хр1п1.

По сравнению с прототипом величина кванта уменьшена в q раз.

При преобразовании входного напряжения, имеющего низкий уровень Ux, может иметь место случай, когда Xi 0 или окончание Ti не происходит в течение Ти, ив формировании последнего импульса Ni принимает участие напряжение Uo, подключаемое по окончании Ти. Этот случай фиксируется с помощью элемента И 36, через который проходит импульс переполнения счетчика 49 в момент окончания Ти и залуекает одновибратор 21. Его сигнал с нулевого выхода снимается и запрещает работу элемент И32, который подключает с помощью переключателя 9 на входПНЧбс вычитателя 11 напряжение Uo, так как ключ 10 тоже отключает Ux от вычитателя 11 благодаря снятию сигнала 67. Через время ti на выходе ПНЧ 8 появится импульс, который является последним импульсом в NI, и установит в 1 триггер 18, пройдя через элементы И 29 и 33, работа которых разрешена сигналами 68 и 69, последний из них появился с окончанием Ти по импульсу переполнения счетчика 12, так, как в нем Xi был равен нулю.

В этом случае величина NI K(UxTM + -Uoti) и при дальнейшем преобразовании величины Та в код Хр должна быть внесена поправка, соответствующая величине KUoti. Временный интервал Т2 будет формироваться с помощью импульсов FO, откуда получим

KfUxTn + Uotl) KUoT2

Ux

ИЛИТ2 -гт-Тп + ti. Uo

Преобразование Т2 в код Хр выполняется аналогично описанному с учетом Тн и Тк, при этом величина 1н представляет собой для рассматриваемого случая временной интервал ti. Поэтому при преобразовании tn в код Х2н дополнительно формируются сдвинутые относительно tn импульсы, которые также вычитаются из Х2. В результате получается код Хр - qX2 - (2Х2н + Х2к), в котором учтена поправка на ti, т.е. выполняется преобразование длительности

- ti) X2tn - (2Х2н + Х2к) t п

Хр tn

Удвоение импульсов в течение ti выполняется с помощью элемента И 31- и одновиб- ратора 20 и импульсов с выхода формирователя 25. Работа элемента И-31 разрешается сигналами 68 и с единичного выхода одновибратора 21, а суммарная длительность импульсов формирователя 25 и одновибратора 20 выбирается меньшей tn1. Импульсы с выхода одновибратора 20 проходят через элемент ИЛИ 41 и в счетчике 12 вычитаются, тем самым удваивая каждый из импульсов tn в течение ц т.н.

Таким образом, с окончанием Т2 сигнала 69 преобразование заканчивается во всех случаях и сигнал 75 информирует по шине 6 о готовности результата преобразования, находящегося в счетчике 12 и передаваемого пи шинам 7.

Новое преобразование начинается по сигналу пуска шины 4, при этом возможен режим работы АЦП, в котором предварительное измерение Ти используется для

0

5

многократного выполнения преобразований, что задается управляющим сигналом 62 по интерфейсным шинам 5. Этот сигнал запрещает прохождение импульсов 61 через элемент ИЛИ 60, и код МПд в регистре не изменяется до снятия сигнала 62.

В результате выполнения преобразования в счетчике 12 появляется кодХр Т2Ап . Подставляя в это выражение значения

т U т

Т2 тг Тп

. ио.

Ти рТи - pNntn pNn Not

И tn

получим

.

0

5

0

5

0

5

0

5

XD

Ux

U0

Ux

No Nn t

Nnf Ux

P q .

Величина Хр представляет собой результат преобразования Ux в коде квантом

AUo .

ДрЧ -, который зависит от времени

измерения Ти рТп и уменьшается при его увеличении. Поэтому разрешающая способность АЦП увеличивается с увеличением р, а точность его работы, которая зависит от погрешностей его аналогичных элементов, будет определяться 4pq, если эти погрешности не будут давать ошибку, превышающую квант преобразователя.

В прототипе при изменении Ти разрешающая способность оставалась неизменной, что приводило к потере точности его работы. В предлагаемом АЦП при увеличении р этого .не происходит.

Кроме того, в получаемом коде Хр иск- .лючены погрешности прототипа, возникающие при получении кода Nt и при формировании Т2, что обеспечено формированием как Тч, так и Та, равных целому числу периодов преобразуемых частот. В.АЦП существенно уменьшена погрешность квантования Т2 при получении кода Хр, благодаря использованию меньшего временного кванта tn1 работы АЦП, изменяемого в соответствии с изменением Тп, для выполнения коррекции при измерении временных интервалов t2H и t2K, которые не учитывались в прототипе.

В прототипе все эти факторы при времени измерения Ти Тп- приводили к наибольшей суммарной погрешности в четыре кванта с величиной tn. N

В предлагаемом-АЦП при сохранении всех параметров прототипа погрешность может иметь место при получении кодов Х2н и Ха к от квантования tH и tK с квантом tn

in/q и ее величина не будет превышать двух квантов tn .

Поэтому для рассмотренного случая преобразования входного напряжения в течение Т погрешность АЦП по сравнению с

прототипом уменьшена в - 2 q раз,

2tn например при q 8 в 16 раз.

Таким образом, без изменения параметров прототипа в АЦП достигнуто повышение его точности работы, которая может быть еще более повышена до предельных значений путем увеличения времени измерения, что увеличивает разрешающую способность АЦП, например, при р 8 в 8 раз.

При реализации АЦП, все узлы которого могут быть выполнены на стандартных интегральных схемах, изменению будет подлежать только счетчик результата преобразования, количество разрядов которого должно быть увеличено в соответствии с увеличением в (pq) раз его емкости (для приведенных примеров pq 8 - на 6 разрядов).Формула изобретения

0

5

5

°

5

0

динен к выходу четвертого элемента И, л второй вход через второй одновибрзтор : к выходу пятого элемента И, первый вход которого соединен с первым выходом трегьо- го одновибратора, второй выход которою подсоединен к первому входу шестого элемента И, первый вход четвертого элемента Л соединен с нулевым выходом третьего триггера, единичный вход которого подсоединен к выходу седьмого элемента И, нулевые выходы первого и второго триггеров соединены соответственно с первым и вторым входами восьмого элемента И, третий элемент ИЛИ, генератор импульсов, выход которого подсоединен к счетному входу третьего счетчика, вход записи кода которого соединен с выходом четвертого элемента ИЛИ, первый вход которого объединен с первым входом девятого элемента И, выход которого соединен с входом старшего разряда третьего счетчика, входы старших и младших разрядов которого соединены с кодовыми выходами блока синхронизации, а выход переполнения через первый формирователь импульсов соединен с первым входом блока синхронизации, второй вход которого является шиной синхронизации, первый вход объединен с вторыми входами четвертого элемента ИЛИ и девятого элемента И, отличающи-йся тем, что, с целью повышения точности, в него введены четвертый счетчик, четвертый и пятый одно- вибраторы, второй и третий формирователи импульсов, с десятого по тринадцатый элементы И, пятый и шестой элементы ИЛИ, первый вход последнего из которых соединен с выходом второго формирователя импульсов и объединен с вторым входом питого элемента И, второй вход соединен с выходом первого формирователя импульсов и с первыми входами двенадцатого и тринадцатого элементов И, а выход соединен с входом записи четвертого счетчика, счетный вход которого подсоединен к выходу генератора импульсов, выход переполнения - к входу второго формирователя импульсов и к второму входу четвертого элемента И, а входы разрядов объединены с соответствующими входами старших разрядов третьего счетчика, вход управления вычитанием и счетный вход первого младшего разряда первого счетчика объединены, его счетный вход первого старшего разряда соединен с выходом тринадцатого элемента И, а выход переполнения соединен с единичным входом второго триггера, единичный выход которого подсоединен .к первым входам третьего и пятого элементов ИЛИ и к третьему и первому входам соответственно четвертого и седьмого элементов И, нулевой

выход подключен к второму входу второго элемента И, а нулевой вход- к выходу двенадцатого элемента И, второй вход которого через четвертый одиовибратор объединен с нулевым входом третьего триггера и соединен с выходом третьего формирователя импульсов, вход которого объединен с вторым входом третьего элемента И и подсоединен к выходу первого элемента ИЛИ, второй вход которого обье- динен с вторым входом шестого элемента И, с вторыми входами седьмого элемента И и третьего элемента ИЛИ, с третьим входом пятого элемента И, с первым выходом Десятого элемента И и соединен с единичным выходом первого триггера, нулевой вход которого объединен с нулевым выходом третьего триггера, а нулевой выход и единичный вход соответственно подключены к первому входу и к выходу одиннадцатого элемента И, второй вход которого соединен с выходом преобразователя напряжения в частоту, а третий вход через пятый одновибратор соединен с выходом первого одновибратора и объединен с входом установки в исходное состояние третьего триггера и с третьим входом блока синхронизации, четвертый вход которого подсоединен к выходу и первому входу соответственно восьмого и девятого элементов И, пятый вход и кодовые входы - к интерфейсным шинам, первый выход - к второму входу десятого элемента И, второй выход - к третьему входу второго элемента И, третий выход - к вторым входам первого элемента И и пятого элемента ИЛИ, выход которого соединен с вторым входом тринадцатого элемента И, третий вход которого соединен с выходом третьего элемента ИЛИ и объединен с первым входом первого элемента И, единичный выход третьего триггера подсоединен к входу управления вычитанием второго счетчика, счетный вход которого объединен с третьим входом седьмого элемента И, выход шестого элемента И подключен к управляющему входу переклю- чателя, а выход десятого элемента И соеди- нен с входом третьего одновибратора.

выполнен на двух счетчиках, регистре, двух формирователях импульсов, одновибрато- ре, трех элементах И, трех элементах ИЛИ и блоке сравнения кодов, первые кодовые входы которого являются кодовыми входами блока, кодовыми выходами которого являются выходы разрядов регистра, первым входом - счетный вход первого счетчика и первый вход первого элемента И, вторым входом - первые входы второго и третьего элементов И, третьим входом - первые входы первого и второго элементов ИЛИ, четвертым входом - вторые входы первого и третьего элементов И, каждый из которых подсоединен соответственно к выходу управления вычитанием второго счетчика и % входу дополнительного разряда блока сравнения кодов, пятым входом - первый вход третьего элемента ИЛИ, первым, вторым и третьим выходами - соответственно выход переполнения, нулевой и единичный выходы старшего разряда второго счетчика, последний из которых и остальные выходы соединены с соответствующими входами разрядов регистра, вход записи кода которого подсоединен к выходу третьего элемента ИЛИ, который через первый формирователь импульсов подключен к второму входу первого элемента ИЛИ, выход которого соединен с входом установки исходного состояния второго счетчика, вход первого младшего разряда которого подсоединен к выходу первого элемента И и объединен с вторым входом второго элемента И, вход второго младшего разряда объединен с вторым входом второго элемента ИЛИ и через второй формирователь импульсов подключен к выходу блока сравнения кодов, вторые кодовые входы которого соединены с выходами разрядов первого счетчика, вход установки исходного состояния которого подсоединен Y выходу второго элемента ИЛИ, а второй и третий входы третьего элемента ИЛИ соединены соответственно с выходами третьего элемента И и одновибратора, вход которого соединен с выходом второго элемента И.

П

63- 70- 7Г 72- 73- 7Ц- 75П

TL

Л

Л

0Ьг.З.