Функциональный преобразователь Советский патент 1992 года по МПК G06G7/26 

Изобретение относится к области информационно-измерительной техники, в частности к функциональным преобразователям, и может быть использовано при построении информационно-измерительных систем.

Известны функциональные преобразователи, используемые в информационно-измерительной технике 1, 2.

Наиболее близким по технической сущности к предложенному является функциональный преобразователь (2), функцией преобразования которого является преобразование напряжения в код. Он содержит интегратор, источник образцового напряжения, коммутатор, ключ, конденсатор, источник тока, компаратор, триггер, генератор и цифровой измеритель временных интервалов. Важным достоинством этого устройства является довольно высокая точность при относительной его простоте и невысоких требованиях по точности к блокам,входящим в его состав.

Однако точность такого устройства ограничена принципиально наличием составляющей погрешности, вызванной абсорбцией конденсатора интегратора Кроме того, данное устройство обладает сравнительно невысоким быстродействием, поскольку выходной код устройства при фиксированной эталонной частоте генератора квантующих импульсов прямо пропорционален времени преобразования.

Целью изобретения является повышение быстродействия, а также точности преобразования за счет снижения погрешности от абсорбции конденсатора интегратора

На фиг. 1 приведена структурная схема предлагаемого устройства; на фиг 2 - пример построения блока формирования временных интервалов; на фиг. 3 и 4 - временные диаграммы, поясняющие работу устройства.

Функциональный преобразователь содержит интегратора 1 подключенный первым входом ко входу устройства ключ 2

(Л

С

-ч

00

:8

О

|Ч5

подключенный к выходу интегратора 1, компаратор 3, подключенный первым входом к ключу 2, конденсатор 4, включенный между первым входом компаратора 3 и точкой постоянного потенциала, например, общей шиной устройства, источник эталонного напряжения 5, коммутатор б, подключенный к источнику напряжения 5, генератор 7, эталонной частоты, источник тока 8 и цифровой измеритель 9 временных интервалов, подключенный к генератору 7 эталонной частоты и к выходу устройства, блок формирования 10 временных интервалов, подключенный к выходам компаратора 3 и генератора 7 эталонной частоты, а также ко входу цифрового измерителя 9 временных интервалов, цифроаналоговый преобразователь 11, подключенный ко второму входу компаратора 3, к источнику образцового напряжения 5 и к выходу устройства, коммутатор 12, подключенный к источнику тока 8, к первому входу компаратора 3 и к блоку 10 формирования временных интервалов, цифроаналоговый преобразователь 13, подключенный ко второму входу интегратора 1 и к коммутатору 6, дешифратор 14, подключенный к коммутатору б, к блоку анализа и формирования временных интервалов 10 и к цифроаналоговому преобразователю 13, и блок синхронизации 15, подключенный к ключу 2, к генератору эталонной частоты 7, к цифровому измерителю временных интервалов 9, к блоку анализа и формирования временных интервалов 10 и к цифроаналоговому преобразователю 13,

Работа устройства осуществляется циклически. Для начала рассмотрим работу устройства, считая, что на втором входе компаратора 3 уровень Ui° фиксированный и равным нулю (полагаем, что выход устройства 11 отключен от компаратора 3. а на второй вход компаратора 3 подан нулевой потенциал). С выхода устройства 17 на управляющий вход кл-юча 2 поступает импульс (фиг. 3, а), ключ 2 замыкается и на конденсаторе 4 (фиг, 3, б) запоминается выходное напряжение интегратора 1 (фиг. 3, в) в этот момент, одновременно в единичное состояние устанавливается триггер 18, что соответствует началу временного интервала П. поступающего на управляющие входы блоков 14, 12, 9 и вход синхронной установки триггера 19. Импульс, длительностью Ti управляет блоком 14, так что во время его действия на вход блока 13с выхода коммутатора 6 поступает напряжение +Е, на вход

1

интегратора 1 - ток

-i.fi +1- Re { N

N

},аво

время его отсутствия-напряжение Е на вход

0

5

0

5

0

блока 13, где N - основание системы счисления, RE - номинальное сопротивление матрицы резисторов ЦАП 13. Этот же импульс подключает к конденсатору 4 источник тока 1 блока 8 через коммутатор 12, который начинает разряжать этот конденсатор. В момент достижения уровня сравнения Uoi (в данном случае считаем равным его 0) на выходе компаратора 3 появляется нулевой уровень, который поступает на вход синхронного сброса триггера 18 и синхронной установки триггера 19, С приходом ближайшего тактового импульса заканчивается временной интервал TI, завершается разряд конденсатора 4 и начинается временной интервал TI

Ci (Ui - Ui )

t

где Ui - напряжение на выходе интегратора в момент запоминания;

Ui1 - остаточное напряжение на конденсаторе 4 после разряда током - 1

Ci - значение емкости конденсатора 4;

Кит - коэффициент преобразования напряжения во временной интервал

Импульс длительностью Т управляет дешифратором 14 так, что на вход интегратора 1 во время его действия поступает ток

импульс подTi

Кит(и|-ио, (1)

D О ) ЭТОТ Ж6

RE N N2

ключает к конденсатору 4 источник тока + - ,

который начинает заряжать этот конденсатор. 8 момент достижения уровня сравнения компаратор 3 изменяет свое состояние на единичное. При поступлении ближайшего тактового импульса заканчивается временной интервал Т/, завершается заряд конденсатора 4 и начинается временной интервал Тг

Т| C1(U|

+ Ц ) N

Кит N (- иГ+ Ui),

I. (2)

где Ui - остаточное напряжение на конденсаторе 4 после разряда током - .

Импульс длительностью Тг управляет дешифратором 14 так, что на вход интегратора 1 во время его действия поступает ток

О тто)- Этот же импульс подклюКЕ N N

5

чает к конденсатору 4 источник тока N:

интервал TI

В момент достижения уровня сравнения на выходе компаратора 3 появляется нулевой уровень, При поступлении ближайшего тактового импульса заканчивается временной

ft

T.SC |-U V-KHTN(M.-U.).

(3) где Ur - остаточное напряжение на конденсаторе - после разряда токов

I

,N

2

После завершения импульса Т| и до начала интервала Тн-1 на вход интегратора 1

поступает ток - - (1 - - 4- --). Запишем

Re N №

уравнение баланса зарядов на конденсаторе интегратора 1 в течение цикла Т:

и т )+

RxC ЕТ/

RE С

N

04:±+J-wilL-Cl-l-L) 1+N N2 ReCU N N2

RE С

E (Т - Ti - Ti - Ti ) /.1 . 1

D ГV м

RE С

N

N

г)о,

(4)

где Rx - резистор, через который к интегратору 1 подключается напряжение Ux;

С - номинал конденсатора интегратора 1.

Из (4) получаем, считая

,-)

Обозначим Ti

Tl

0.91 Т-2 Tf

Т

ix2

тогда из (5) получаем т - UxReT

ВЫХОДНОЙ КОД NX

NX « ТХ f,

X To

0,91 Т-Ti

fo +

I to -r II fo

T it-T

100

или

Ni , Ni Ni

ll

Nx ,(10)

10 100

где ,456 x Т x f0 Ni -Ti x fo Ni1 -Ti1 x fo

Ni

и

Ti x f0

Математические операции сложения, вычитания и деления, необходимые для вычисления (10), легко реализуются при применении микропроцессора.

Из выражения (10 следует, что дискретность выходного кода увеличилась (в данном случае в 100 раз). Это означает, что для достижения заданной дискретности кода в

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

предложенном устройстве требуется меньшее время (в данном случае в 100 раз)

При использовании в качестве уровня сравнения Uoi фиксированного потенциала выходное напряжение интегратора 1 имеет постоянную составляющую, которая изменяется в зависимости от знака и уровня выходного сигнала (фиг. 36)

При наличии на конденсаторе постоянной составляющей возникает эффект абсорбции (после кратковременного закорачивания выводов конденсатора на нем восстанавливается остаточное напряжение), который снижает точность преобразования. Поэтому для точных измерений необходимо принимать меры по уменьшению этого эффекта. Один из способов значительного уменьшения этого эффекта - уменьшение постоянной составляющей на конденсаторе интегратора путем введения изменяемого уровня компарирования В данных целях можно использовать ЦАП (блок 11). Постоянная составляющая на конденсаторе интегратора изменяется rio известной зависимости от входного напряжения, поэтому по выходному коду можно точно установить такой уровень компарирования, что постоянная составляющая будет равна (либо близка к нулю).

Работа устройства, изображенного на фиг. 1, от описанного выше алгоритма отличается тем, что при изменении входного напряжения изменяется уровень ком- парирования так, что выходной сигнал интегратора не содержит постоянной составляющей. Временные диаграммы работы устройства изображены на фиг. 4

Введение в состав функционального преобразователя блока анализа и формирования временных интервалов, двух цифроа- налоговых преобразователей, второй коммутатора, дешифратора и блока формирования управляющих импульсов с соответствующими связями выгодно отличает предлагаемое устройство от известного, поскольку это позволяет повысить быстродействие и точность преобразования, что является очень важным, особенно если функциональный преобразователь используется в составе автоматизированный информационно-измерительной системы Повышение быстродействия и точности функционального преобразования повышает производительность и эффективность системы.

Формула изобретения

Функциональный преобразователь, содержащий интегратор, подключенный первым входом к входу преобразователя, а выходом через ключ, подключенный к первому входу компаратора, запоминающий конденсатор, включенный между первым входом компаратора и общей шиной преобразователя, источник эталонного напряжения, выходы которого соединены с информационными входами первого коммутатора, цифровой измеритель временных интервалов, тактовый вход которого подключен к выходу генератора эталонной частоты, а выход является выходом преобразователя, источник тока, отличающийся тем, что с целью повышения быстродействия и точности преобразования за счет снижения погрешности от абсорбции конденсатора интегратора, в него введены блок формирования временных интервалов, второй коммутатор, дешифратор, блок синхронизации, первый и второй циф- роаналоговые преобразователи, выход компаратора через блок формирования временных интервалов соединен с информационным входом цифрового измерителя временных интервалов, выход блока формирования временных интервалов соединен с

управляющим входом второго коммутатора и через дешифратор с управляющим входом первого коммутатора, и с цифровым входом первого цифроаналогового преобразователя, аналоговый вход которого соединен с выходом первого коммутатора, а выход - с вторым входом интегратора, выходы источника тока через второй коммутатор соединены с первым входом компаратора,

соответствующие выходы блока синхронизации соединены с управляющим входом ключа, с входом сброса формирователя временных интервалов и входом начала отсчета цифрового измерителя временных интервалов, выход генератора, эталонной частоты соединен с тактовыми входами формирователя временных интервалов и цифрового измерителя временных интервалов, аналоговый вход второго цифроаналогового

преобразователя соединен с источником эталонного напряжения, а цифровой вход подключен к выходу преобразователя и к блоку синхронизации, а выход соединен с вторым входом компаратора.

Функциональный преобразователь относится к информационно-измерительной технике и может быть использован при построении информационно-измерительных систем Сущность изобретения: функциональный преобразователь содержит интегратор, ключ, компаратор, конденсатор, источник эталонного напряжения, два коммутатора, генератор эталонной частоты, источник тока, цифровой измеритель временных интервалов, блок формирования временных интервалов, цифроаналоговые преобразователи, дешифратор, блок синхронизации 4 ил.

4ч

N

Кдых.бл.17

Кдых.бл.З

О

Кг Ц/

Квхбл.13

-Ј-w

фиг.З

i

111 III

Ш Г t

Фиг.4