Способ аналого-цифрового преобразования и устройство для его осуществления Советский патент 1993 года по МПК H03M1/60 

Изобретение относится к области им- п льсной техники и, в частности, к способам преобразования напряжений в цифровые коды с промежуточным преобразованием в частотный сигнал.

j Цель изобретения - повышение быстродействия.

На фиг. 1 изображена блок-схема уст- рэйства аналого-цифрового преобразования; на фиг, 2 - схема преобразователя напряжения в частоту импульсов; на 4 иг. 3 - временная диаграмма работы ана- лрго-цифрового преобразователя (АЦП).

АЦП содержит; 1, 2, 3 - шины преобра- /емого, опорного и нулевого напряжений, и 5 - шины запуска АЦП и готовности результата преобразования на выходной jHHe 6,7 - аналоговый инвертор, 8 - преобразователь напряжения в частоту импульсов, 9 и 10 - первый и второй переключатели, у которых первые входы соединены с выходами при отсутствии сигнала на управляющем входе, а при его наличии к выходу подсоединены вторые входы 11 - реверсивный счетчик, 12 - счетчик, 13 - генератор импульсов, 14 и 15 - первый и второй триггеры, 16-19 - с первого по четвертый элементы И

Преобразователь напряжения в частоту (ПНЧ) импульсов содержит. 20 - операционный усилитель, 21, 22 и 23 - с первого по третий резисторы, 24 - конденсатор, 25 - ключ, вход и выход которого замыкаются при наличии сигнала на управляющем входе - 26 - компаратор, 27 - формирователь эталонного сигнала с фиксированными длиfe

00 00

VJ

00

ю ел

тельностью и амплитудой, 28 - одновибра- тор и 29 - элемент ИЛИ.

На временной диаграмме обозначено: 30 - импульс запуска АЦП, 31 - сигнал на первом выходе триггера 14, 32 - напряжение на выходе переключателя 10, 33 и 34 - сигналы преобразуемые в частоту, последний из которых соответствует опорному напряжению, а первый - в качестве примера (Uo + Ux), 35 и 36 - импульсы с выходов одновибратора 28 и компаратора 26, 37 - сигнал с второго выхода триггера 15, 38 - сигнал, в течение которого разрешена работа элемента И 17, 39 - сигнал на выходе элемента ИЛИ 29, 40 - сигнал готовности результата на выходе элемента И 19,

Процесс преобразования в заявляемом способе можно описать следующими выражениями. Если первое сформированное на- пряжение Ui (Uo± Ux), то при преобразовании его в частоту получим FI kUi k(Uo ± Ux), откуда период ti ,

11

-Е гтп-...ч -где k коэффициент преГ1 К Uo - Ux;

образования напряжения в частоту. При преобразовании ti в код m с помощью частоты f, которая используется для формирования фиксированного временного интервала Тф No/f, получают результат щ

-t,-f-f Тф

No.

Второе напряжение, преобразуемое в частоту F2, формируется специальным образом в течение периода t2 этой частоты.

В течение t2 сначала преобразуется напряжение, равное разности Uo - ( ± Ux) (Uo + Ux) до окончания фиксированного временного интервала Тф, который формируется с начала преобразования, т.е. с начала ti. Поэтому эта разность преобразуется в течение времени (Тф - ц). Затем до окончания t2 преобразуется напряжение Uc. Таким образом при формировании FZ, в течение всего ее периода г преобразуется опорное напряжение Uo, из которого в течение времени (Тф -12) вычитается напряжение ± Ux, откуда

F2 1 kUo kUx ± (Тф - ti)1

или для одного периода т.2 это уравнение примет вид; F2t2 1

KOU UxOvt.vM W

-U

ЛТГЧЧ t(

ku0 Uc

Преобразование t2 в код с помощью f даст результат:

П2 t2.f -J- No- 1ф

Окончательный результат преобразования получается пои вычитании nt из , т.е.

-(дфГ,

T LkUo O Ч

..L NO .и, их м,

где Л- квант АЦП, равный UO/NO.

Таким образом в результате преобразования + UX получен код х. который соответствует величине и знаку преобразуемого напряжения и на это затрачено время Тпр ti + t2.

Время ТПр равно:

Ux ,

Vk(u0tun kVu;(Vt.b

-- ± т fj Mu ьи„- u0 «p ku. uTTu;

Время ТПр будет наименьшим при Ux 0 и равным 2/kUo, а это определяет необходимый выбор Тф 2/kUo.

Если принять, что максимальная величина преобразуемого напряжения Uo и Тф 2/kUo, то время преобразования +Um

будет равно: Tnp(+Um) ё-ТПр, а преобразо2

вание -Um займет время Tnp(-Um) -ТПр,

которое представляет собой наибольшее время преобразования Тт.

По сравнению с прототипом, в котором

преобразование выполняется за время, выбираемое из условия: Tn . N/kUm, в предла0

5

0

5

гаемом Тт -ТПр

2kUn

т.е. оно

kU0 существенно уменьшено.

В устройстве (фиг. 1) операции способа по формированию Тф, частот FI и F2, получению , П2 и х осуществляются соответственно с помощью счетчика, ПНЧ и реверсивного счетчика, а операции по вычитанию и суммированию Ux с Uo - с помощью инвертора и входных цепей интегратора в ПНЧ. В качестве последнего могут быть использованы различные типы преобразователей напряжения в частоту, в том числе, генераторы, управляемые напряжением, преобразователи с формированием импульсов, имеющих фиксированную вольт-секундную площадь и др., но они должны допускать скачкообразное изменение преобразуемого напряжения, которое не вызывает в преобразователе переходного процесса, требующего определенного числа периодов час:оты для установления заданной точности. Например, в качестве ПНЧ. как и в прототипе, может быть использован преобразователь, основанный на

мпенсэции эталонного заряда интегрирующего конденсатора преобразуемым на- яжением.

АЦП работает следующим образом. С ончанием очередного преобразования иггеры 14 и 15 будут установлены в исход- е состояние, а их сигналы соответственно второго и первого выходов с помощью емента И 19 формируют сигнал 40. Этот гнал замыкает ключ 25 и поддерживает в ходном состоянии интегратор в ПНЧ 8, торый выключается из работы.

С приходом импульса 30 устанавлива- ю|тся в исходное (нулевое) состояние счетчи11 и 12 и триггер 15, а триггер 14 танавливается в 1 состояние. Сигнал 40 имается, ключ 25 размыкается, разрешая боту ПНЧ 8, на вход которого поступает пряжение +Ux 32, так как сигнал 31 в реключателе 10 замыкает его выход с вто- IM входом, подсоединенным к выходу пе- ключателя 9, вход которого соединен с ц|иной 1.

В ПНЧ 8 по снятию сигнала 40 запуска- ся одновибратор 28 (через элемент ИЛИ ). По его сигналу 35 формирователь 27 рабатывает эталонный сигнал постоян- Цой амплитуды и длительности, который че- з резистор 23 в конденсаторе 24 образует

заряд- Q. Этот заряд компенсируется сум- (0 арным током 33 от + Ux и Uo: 11 -н ± -н

K2

, где RI и R2 - величины резисторов 21 и 22. выходное напряжение операционного усилителя сначала увеличивается, а затем уменьшается и в момент ti, когда происходит компенсация зарядов - Q + h ti 0, оно становится равным нулю. Компаратор 26 с рабатывает и формирует импульс 36, соот- Еетствующий окончанию периода первой i астоты Fi, сформированной ПНЧ 8 и имеющий периодti

Uo

Ri

Ux

R2

и

В течение ц разрешена работа элемен- а И 17 (сигнал 38), через который импульсы от генератора 13 поступают на вычитаю- ций вход счетчика 11 и образуют в нем код И NC - tif, где Nc - емкость счетчика с четом старшего знакового разряда.

По окончании ti импульс 36 устанавли ает триггер 15 в 1. Его выходной сигнал

| с помощью переключателя 9 подает на

ход переключатели 10 и далее на ПНЧ 8

инвертированное напряжений +Ux 32. Им1ульс 36 проходит через элемент ИЛИ 29

сигнал 39) и запускает вновь одновибратор

8, второй сигнал 35 которого с помощью

формирователя 27 и резистора 23 образует вновь в конденсаторе 24 заряд -Q. Этот заряд до окончания сигнала 31 компенсируется TOKQM 121 . Сигнал 31,

К1 К2

соответствующий фиксированному времени Тф, формируется счетчиком 12 и импульсами f генератора 13, проходящими через элемент И 16, работа которого разрешена триггером 14. При поступлении на счетчик 12 No импульсов, где No - есть емкость, т.е. по истечении времени Тф No/f наступит его переполнение и выходной импульс уста- новит,в О триггер 14 и снимет сигнал 31 с выхода управления переключателем 10. На вход ПНЧ 8 с выхода переключателя 10 поступит нулевое напряжение. На вход ПНЧ 8 с выхода переключателя 10 поступит нулевое напряжение, а на вход операционного

усилителя сигнал 34, равный 22 -к , котоК1

рый будет компенсировать до нуля заряд -Q. Это произойдет через t2 время, соответствующее окончанию периода второй частоты F2, сформированной ПНЧ 8. Уравнение компенсации заряда имеет вид:

-Q + 121(Тф - ti) + I22(t2 -Тф + ti) О

Uo + Ux R t2+-RT

-Q+fet2+ fr,-ti)-o

35

«-

40

45

50

В момент окончания компенсации заряда вновь срабатывает компаратор 26, его второй сигнал 36 устанавливает в О триггер 15. Сигнал 37 снимается и образуется сигнал 40, который информирует по шине 5 об окончании преобразования и выключает из работы ПНЧ 8, как было описано выше.

В течение времени t2 сигнал 37 разрешал работу элемента И 18, через который импульсы f генератора 13 поступали на суммирующий вход счетчика 11 и изменяли в нем код ш. За время t2 на вход счетчика 11 поступило П2 импульсов: и в нем образовался код

,«1.п

Р Ql QR.t + U R, ,(T-%-Nc-H- Tr Tr.VV ЈtЈ

Т

R, Pi

55

.-ЈД.тИ-Не,

Ч

и ь

При Ri R2 величина представляет собой квант АЦП.

Nc

В счетчике 11 получен код Хр. являющийся рет/льтагом преобразования входного напряжения +UX. При этом для +ихэтот результат представлен в обычном виде, т.к. величина Nc соответствует весу старшего за знаковым разрядом счетчика 11, который в АЦП не используется и не передается по шинам 6. Для -Ux результат Хр представлен в смещенном коде, в котором 1 старшего знакового разряда показывает на отрицательное значение преобразуемого напряжения. Код для наибольшей величины -Ux в остальных разрядах будет нулевым, а для наименьшей величины -Ux, равной кванту АЦП, этот код будет наибольшим с 1 во всех разрядах.

Результат преобразования Хр получен за времяоС (lv R

J-/T I

т„ vt,----+- ivV г

UO.UK, R, + R-2.

Uo + Ri R

Если, как и в заявляемом способе, принять Um - 2 о

7Ф 2QRi/Uo

IMJo

и учесть, что Ri - R2, то

т - т Г

1пр |ф v-Uo Uo±UxJ

В этом случае время, затрачиваемое на преобразование Ux 0, будет равно Тф, для

Ux TjUo Urn ОНО равно Tnp(+Um) -g Тф И

при -Ux -Um оно будет наибольшим Tnp(-Um)

Зт 2 ТФС учетом этих зависимостей необходимо выполнять выбор параметров АЦП. При этом для сравнительной оценки с прототипом должно быть выполнено условие сохранения, как у прототипа, разрешающей способности АЦП и максимальной частоты работы ПНЧ, т.е максимального числа квантов в Хр. которое должны быть не менее No, и максимальной частоты ПНЧ, которая должна быть не более Fm. По параметрам No v Fm можно рассчитать временный квант работы АЦП t д . который задается частотой f и должен выбираться из условия преобразования наименьших периодов ti(t2) в коды гц(п2)с получением их величин не менее NO. Минимальным периодом ti(t2) соответствует Fm и она получается при преобразо- вании ПНЧ суммарного сигнала, образованного из опорного напряжения Uo и максимального преобразуемого напряжения Ux Um, откуда

10

tmln

1

Поэтому

15

tA prriMFm -1Ч KN0 (U0 + Um)

,f Fm No

В АЦП с учетом принятого соотношения для Тф и при максимальной частоте ПНЧ Fm 20 величина фиксированного временного интервала равна

Тф

2 2(U0 +Um) 3

KU0

Рта

Величина Тф формируется с помощью счетчика 12, емкость которого для этого случая должна быть равна Тф- f 3No.

Для простоты реализации эта емкость может быть увеличена до Np 4No. но тогда частота генератора тоже должна быть уве4личена до fp - Fm No, чтобы сохранить

величину Тф -fS- - -- . Соответственно бу- |р

дет уменьшен временный квант АЦП, кото3рый равен в этом случае tp - - -F-тгт-. а это

т 1Мо

уменьшит и квант результата преобразоваА Uo U0 ния до величины Др -д -н- .

1 .т -f K1 .дм щ Тр fp 4N0

Для АЦП с принятым соотношением Ri R2 квант Др будет равен Ap Uo/4No: Um/2No, а максимальный код, соответствующий величине Ux Um, будет иметь величины Nmp 2No. Поэтому емкость Nc 2No счетчика 11 прототипа должна быть увеличена в заявля- емом АЦП до Np 4No.

Результат преобразования будет иметь величину:.,.

IUyUK

xp 41F;4N«- ptvf

В АЦП с этими параметрами наиболь- шее время преобразования будет равно

391

Тмакс о- Тф - В прототипе время преii rm

образования имело величины Тп No/Fm. Затр

ты времени на выполнение преобразо- 1ия значительно уменьшены и коэффици

уменьшения

равен:

Во столько же раз повыш но быстродействие преобразования и ,цепь по устранению недостатка прототипа достигнута.

Необходимо также отметить, что в пред- аемом АЦП исключены погрешности прототипа, обусловленные изменением павыборе для ПНЧ Fm - 100 кГц. соотношение

3 tp тгс-кг не будет выполняться, что требу Гт iNn

т INO

ет снижения Fm до величины

Fm

4-0,15-10 6-103

5 кГц.

10

Наибольшее время преобразования будет равно

pa

метров СИ, Q2, Ri, R2. R3 и Тп, входящих в

уравнение преобразования и в результат N,

В уравнении преобразования для заявляемого АЦП эти параметры отсутствуют. т.н. их изменение компенсируется, а на точ- нс сть работы оказывает влияние отношение Ri R2. Поддержание стабильным этого от

ношения, особенно при Ri Ra, не вызывает трудностей реализации АЦП

Количественную оценку коэффициента а , характеризующего повышение быстродействия в заявляемых технических решениях по сравнению с прототипом, можно выполнить на примере построения АЦП с использованием современных отечесгзен- н ix интегральных схем. Например в качест- вэ ПНЧ взять схему КР1108ПП1 с М:аксимальной частотой Fm 100 кГц, а в качестве переключающих элементов - клю- серии К590 КН2 или КТ1, имеющие время переключения tnep 150-30 нсек.

При построении на этих схемах 10-разрядного (Nm - 103) АЦП время преобразова- ни-я прототипа будет равно Тп tO /10 10

с.

В заявляемом АЦП выполняется преобразование в код временных интегралов ti и t:, длительность которых значительно меньше Тп. В связи с этим время tnep переключе- н ия в ключе и переключателях, введенных в АЦП, оказывает влияние на точность получения результата преобразования Нали- 1 ие tnep r5 0 приводит к переходным г.роцессам, которые изменяют ток компен- ации при формировании частот в ПНЧ и Е.НОСИТ дополнительные погрешности в ре- ;.ультат преобразования

Для уменьшения этих погрешностей ве- ичина временного кванта работы АЦП дол- кна выбираться большей тпер. С запасом ложно принять соотношение tp , при сотором наибольшая дополнительная по- решнрсть от tnep будет меньше кванта АЦП.

В рассматриваемом примере построения АЦП при использовании в качестве клю- 4а и переключателей элементов с tnep 50 -1C величина tp будет paBH3tp 0,15MKC. При

макс

2Fm 2-5-103

- 0,9 мс,

а коэффициент а 10/0,9 11,1, т.е. для данного примера быстродействие АЦП повышено более чем в 10 раз. При этом имеющиеся у ПНЧ динамические характеристики

полностью не использованы (Fm т Fm) и

этот запас можно использовать для повышения быстродействия АЦП .путем применения переключающих элементов с меньшими tnep. Так. использование из этой серии схема КТ1 позволит еще почти в 1,7 раза повысить быстродействие АЦП. Ф о р м у л а и з о б р е т е н и я

преобразовании напряжения в частотный импульсный сигнал и в формировании фиксированного временного интервала с после- дующим формированием результата преобразования, отличающийся тем. что, с целью повышения быстродействия при преобразовании в частотный импульсный сигнал, используют напряжение, равное сумме опорного и входного

напряжений, в течение первого периода, длительность которого преобразуют в первый код, после чего в течение второго периода осуществляют дополнительные последовательные преобразования в частотный импульсный сигнал сначала напряжения, равного разности опорного и входного напряжений до момента окончания фиксированного временного интервала, а затем только опорного напряжения.

преобразуют длительность второго периода во второй код. а при формировании результата преобразования из второго кода вычитают первый.

преобразователь напряжения в частоту импульсов, первый и второй входы которого являются шинами опорного и нулевого напряжений, шиной запуска является входы установки в исходное состояние счетчика и

реверсивного счетчика и первый вход первого триггера, второй вход которого соединен с выхоДом переполнения счетчика, а первый выход - с первыми входами первото и второго элементов И, второй вход первого из которых соединен с выходом генератора импульсов, а выход - со счетным входом счетчика, выходы второго и третьего элементов И соединены соответственно с вычи- тающим и суммирующим входами реверсивного счетчика, выходы которого являются шиной результата преобразования, отличающееся тем, что в него введены аналоговый инвертор, первый и второй переключатели, второй триггер и четвертый элемент И. причем входной шиной является первый вход первого переключателя и вход инвертора, выход которого соединен с вторым входом первого переключателя, шиной нулевого напряжения является первый вход второго переключателя, второй вход котой

рого соединен с выходом первого переключателя, управляющий вход соединен с первым выходом первого триггера, а выход - с третьим входом преобразователя напряже5 ния в частоту импульсов, четвертый вход которого является шиной готовности результата и подключен к выходу четвертого элемента И, а выход подключен к счетному входу второго триггера, вход установки ко10 торого объединен с первым входом первого триггера, первый выход - соединен с первым входом четвертого элемента И и с вторым входом второго элемента И, а второй выход - с управляющим входом первого пе- 15 реключатеяя и с первым входом третьего элемента И, второй вход которого объединен с третьим входом второго элемента И и подключен к выходу генератора импульсов, а второй выход первого триггера соединен

20 с вторым входом четвертого элемента И.

л П

Редактор

Составитель В. Махнанов

Техред М.МоргенталКорректор М.Самборская

1837395

9иг. I

(pueJ