Аналого-цифровой преобразователь Советский патент 1993 года по МПК H03M1/46 

Изобретение относится к электроизмерительной технике и может быть использовано в многоканальных измерительных приборах и системах.

Целью изобретения является повышение точности аналого-цифрового преобразования при воздействии периодической и случайной помехи и расширение функциональных возможностей устройства.

Сущность изобретения заключается в следующем. Известно, что интегрирующие АЦП имеют в десятки и сотни раз меньшее быстродействие по сравнению с обычными. АЦП, например, построенными по алгоритму поразрядного уравновешивания. Поэтому переход на многоканальный интегрирующий АЦП по схеме коммутатор - АЦП приводит к значительному увеличению времени многоканального интегрирующего аналого-цифрового преобразования из-за

последовательного преобразования в каждом канале.

В предлагаемом изобретении время многоканального преобразования сокращается в п раз за счет того, что за один цикл времяимпульсного преобразования, то есть за один период работы ГПМ, в многоканальный цифровой усреднитель записывается результат преобразования по всем п каналам.

Времяимпульсный метод преобразования не обеспечивает высокую помехоустойчивость относительно помех нормального и общего видов, поэтому для повышения помехоустойчивости и тем самым точности аналого-цифрового преобразования за период сетевой помехи (помехи нормального вида) необходимо произвести т-кратное преобразование и усреднение в каждом канале по алгоритму .

00

о ю ел со о

, i v 11 Л , - Uxo Ni - ° . A - Urn . Л - JJL

Ucpr - .Ux.dxJ-TjT N- 5T 5in-To w°- SrFr;

где Uxi - входное напряжение в i-м канале .

АЦП; 5Aft) AQJ At 1 .

m - число циклов преобразования за период помехи:Ucpi - результат интегрирующего преоб-г определяется величиной нестабильразования в i-м канале;ности частоты сетевого напряжения;

Время преобразования Д t в каждом 10гпш « сУмма шУма -воздействующего на

цикле и число циклов преобразования mГПН и шума квантования,

должно выбираться из равенства .Представим синусоидальную функцию

Тп Atm в видл л

где т -период-следования синусоидальной sln(4Mp + Дй) Rf j +(l - 1 ) N + ft,

Для времяимпульеного преобразрва- sin (So + Дш)( + (i - 1 ) N )

ния аналоговой величины в код в 1-ом циклел л

преобразования для j-ro канала время пре- COS (шь 4-До)) RJJ +

образования с учетом воздействия шума нал л -

ГПН определяется из уравнения 20+ cos (WQ + Дй)( R|j + (j - 1 ) N )

.-.;. + Umsin;(flb+A«)x ;.-sin- -(ab.+Afc)fi,,

.(1-1). л л

где Do - максимальная амплитуда ГПН, рав-Так Kajc величина + Дсо )Rij мала, то,

ная максимально-допустимому значению 25cos( оь-Н ) ij 1 и л

входного сигнала;.sin( + До)0 )RijJi(ft)o 4- До) )Rij

То-период следования ГПН (время цик-поэтому

ла одного преобразования); .. - m m .

tij - время преобразования в J-м циклеK5J j 2s M|i d N 2/1x

для j-ro канала; .

UXj - входное напряжение в j-м канале,, . г. л , . л ..- , ,.которое остается постоянным за время Тп;x{sin( («о + (1-1) .

Um-амплитуда помехи нормального ви- / . . л - л л л

.да;. ,. , .(«о +Дй XR +O-ljNKwo+AS ij

. (Уо 2 лУТп - номинальное значение 35 .

г частоты сетевого напряжения; . .так как

Д у-отклонение частоты сети от номи.- ./ J ymp м / И

нального значения;т m - шум, воздействующий на ГПН,

причем §j || для всехj. 40x{sin( ufe + До) XRj+(i-1)(Wo + Дй)

Выражая время преобразования tij через квантованные значения, после усредне-Где М - оператор математического, ожидания в j-м канале по m Е-ыборкам, получимния,

.. -. . : .то ..

i fn 4 i Jn -45s n,

(RIJ +Rij) m.21xR xjN+ j|i sln(flfe+AUX j+(H)N)

л л.. .. Второе слагаемое определяет величину

x{0iij N От.sin (а)о,+ &о) хотносительной погрешности из-за воздейА . 50ствия помехи нормального вида. Подставим

+(i-1.)N + в следующем виде

+ Ъ . sin(-+-)(Mi +(M)

где Rj jr - математическое ожидание циф-m m r m N

или

Изобретение относится к электроизмерительной технике и может быть использовано в многоканальных измерительных приборах и системах. Целью изобретения является повышение точности и расширение области применения за счет использования в многоканальных устройствах. Цель достигается тем, что в устройство, состоящее из компаратора, генератора импульсов, элемента И, счетчика и генератора пилообразного напряжения, дополнительно введены п-1 компараторов, где п - число каналов преобразователя, генератор шума, аналоговый сумматор, второй счетчик и многоканальный цифровой усреднитель. За счет одновременного сравнения входных сигналов в каждом канале с пилообразным эталонным напряжением и параллельной записью результатов преобразования в многоканальный цифровой усреднитель в последнем за один период сетевой помехи и m-циклов преобразования образуются благодаря усреднению цифровые значения измеряемых сигналов каждого канала с высокой точностью. 1 з.п. ф-лы, 2 ил. ел с

At- период Следования сигналов генератооа импульсов 9; -. у . f . (i-1)Hin(

Rj - случайное отклонение цифровогоm Щ f v

эквивалента входного сигнала от математи-т/ (т + МЙ /5

ческого ожидания из-за воздействия шумов: м + -f- jsin - - cosec

где

-2л(:г7±1)(±1).

Так как 100, , , TO cosec т 1

()-«Сж+7)- - .гя о+тгК +т)

Если нестабильность сетевой частоты Д2Л2 .Из

отсутствует, то у

последнего

го равенства следует, что погрешность нормального вида убывает очень быстро с увеличением выборки т. Наличие нестабильности частоты сетевого напряжения приводит к увеличению погрешности, однако это увеличение незначительно.

Все вновь введенные в устройство эле: менты и блоки широко известны и используются по своему прямому назначению, проявляя при этом каждый в отдельности известные свойства. Однако, взятые в совокупности вновь введенные элементы и элементы прототипа проявляют новое свойство - повышение точности аналого- цифрового преобразования при воздействии периодической и случайной помехи и расширение функциональных возможностей устройства, что позволяет широко использовать предлагаемое устройство в высокоточных многоканальных измерительных системах. Это новое свойство не повторяет ни одно из известных свойств отличительных признаков и не является их суммой.

Каждый из введенных элементов, отдельно взятый необходим для достижения положительного эффекта, а все они вместе взятые, с учетом их взаимосвязей и связей между ними и элементами прототипа достаточны, чтобы отличить предлагаемое устройство от других устройств подобного назначения и характеризовать его в том качестве, которое проявляется в повышении точности аналого-цифрового преобразования при воздействии периодической и случайной помехи и возможности использовать его для многоканальных измерений.

На фиг.1 представлена блок-схема предлагаемого устройства; на фиг.2 - одна из возможных реализаций многоканального цифрового усреднителя.

Устройство содержит компараторы 1, первые входы которых соединены с входными сигналами, вторые входы соединены с выходом блока аналогового сумматора 2. первый вход его соединен с выходом генератора шума 3, второй вход соединен с вы5 ходом генератора пилообразного напряжения 4, вход которого соединен с первым выходом счетчика 5 и с первым входом многоканального цифрового усреднителя 6, вторые входы которого с первого по

0 n-ый соединены с выходами компараторов

I. третий вход соединен с первым входом счетчика 5, первым входом счетчика 7 и с входом устройства Пуск, выходы многоканального цифрового усреднителя 6 соедине5 ны с выходом всего устройства; второй вход счетчика 5 соединен с выходом схемы 8 И, первый вход которой соединен с выходом генератора импульсов 9, второй вход соединен с выходом счетчика 7, второй вход счетчика 7

0 соединен с вторым выходом счетчика 5.

Многоканальный цифровой усредни- тель 6 (фиг.2) содержит п цифровых сумматоров 10 и п-регистров 11, где п - число каналов устройства. Первые входы цифро5 вых сумматоров 10 соединены с первым выходом счетчика 5, вторые входы соединены с соответствующими выходами регистров

II, первые п входов которых соединены с соответствующими выходами п компарато0 ров 1, вторые входы соединены с выходами цифровых сумматоров 10 и вторые выходы соединены с выходом устройства.

Аналого-цифровой преобразователь работает следующим образом.

5 Импульсом Пуск сбрасываются счетчики 5 и 7, разрешая прохождение на счетный вход счетчика 5 через схему И 8 импульсов от генератора импульсов 9, и обнуляется многоканальный цифровой усред0. нитель 6. Выход счетчика 5 подключен к входу генератора пилообразного напряжения 4, представляющий цифроаналоговый преобразователь. С выхода генератора пилообразного напряжения 4 снимается линей5 но изменяющееся напряжение, начальное значение которого равно нулю (счетчик 5 обнулен), а конечное значение равно предельному значению входного напряжения. Это напряжение суммируется в аналоговом сум0 маторе 2 с напряжением от генератора шума 3 и подается на первые входы компараторов . 1-1 п, на вторые входы которых подаются входные напряжения Ui-Un. В момент равенства входного напряжения Ux rro канала вы5 ходному напряжению аналогового сумматора 2 1-ый компаратор изменит свое состояние и перепишет соответствующее кодовое значение этого напряжения Uxi с выхода счетчика 5 в многоканальный цифровой усреднитель 6, где в 1-ом цифровом сумматоре 10 просуммируэтся с результатом предыдущего измерения, записанного в регистре 11. При первом измерении с нулем.

Таким образом, после первого такта измерения в многоканальном цифровом ус- реднителе 6 будут записаны кодовые значения входных напряжений по всем п каналам преобразователя. Счетчик 5, досчитав до конца, обнуляется, импульсом переноса записывает единицу в счетчик 7 и начинается второй такт измерения, аналогичный первому. Число тактов измерения, или объем выборки задаются объемом счетчика 7, который, досчитав до конца через схему И 8 запрещает подачу на счетный вход счетчика 5 импульсов и выдает команду Конец преобразования.

Таким образом за счет одновременного сравнения входных сигналов в каждом канале с пилообразным эталонным напряжением и параллельной записью результатов преобразования в многоканальный цифровой усреднитель в последнем за один период сетевой помехи и т-циклов преобразования образуются благодаря усреднению цифровые значения измеряемых сигналов каждого канала с высокой помехоустойчивостью и тем самым с большей точностью. .

Формулаизобретения 1. Аналого-цифровой преобразователь, содержащий компаратор, первый вход которого является первой входной шиной генератора импульсов, выход которого соединен с первым входом элемента И, выход которого соединен с входом первого счетчика, и генератор пилообразного напряжения, отличающийс я тем, что, с целью повышения точности и расширения области применения путем обеспечения

возможности использования в многоканальных устройствах, в него дополнительно введены п компараторов, где п - число каналов преобразователя, генератор шума, аналотовый сумматор, второй счетчик и многоканальный цифровой усреднитель, причем первые входы п-1 компараторов являются соответственно п-1 входными шинами, вторые входы всех компараторов

объединены и соединены с выходом аналогового сумматора, первый вход которого соединен с выходом генератора шума, второй вход-с выходом генератора пилообразного напряжения, входы которого объединены с

первыми входами многоканального цифрового усреднителя и соединены с первыми входами первого счетчика, второй выход которого соединен с первым входом второго счетчика, выход которого соединен с вторым входом элемента И, второй вход является шиной Пуск и объединен с вторым входом первого счетчика и с вторым входом многоканального цифрового усреднителя, третьи входы которого соединены с соответствующими выходами п компараторов, а вы- ходы являются выходной шиной. .

маторах и п регистрах, первые выходы которых являются соответствующими выходами многоканального цифрового усреднителя, первые входы - соответствующими третьими входами многоканального цифрового усреднитёля, вторые входы и вторые выходы соединены с соответствующими выходами и первыми входами п цифровых сумматоров соответственно, вторые входы которых являются первыми входами многоканального

цифрового усреднителя.