Следящий аналого-цифровой преобразователь Советский патент 1980 года по МПК H03K13/02 

(54) СЛЕДЯЩИЙ АНАЛОГО-ЦИФРОВОЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ Изобретение относится к измерител ной и вычислительной технике и может быть использовано в измерительных и. управляющих вычислительных системах для контроля за изменением регулируемых параметров об-ьекТов управлени Известен следящий ангшого-цифровой преобразователь, содержаний компаратор и реверсивный цифроаналоговый преобразователь 1. Недостатками устройства яйляютс) пониженное быстродействие и ограниченный диапазон уровней измерения. Известен с.педящий анашого-цифровой преобразователь, содержащий груп пу компараторов, реверсивный генератор ступенчато-изменяктегося наппязкения, дифференциальный элемент, соединенный с входом генератора стуПёнчато-изменяю1аегося напряжения {2 бдиако устройство имеет низкЬе быстродействие. Цель изобретения - повыгиение быст родействия в широком диапазоне yiioeней кодируемых сигналов. Указанная цель достигается тем, .,что в следяхйий аналого-цифровой преобразователь, содержащий блок отобра жения данных, генератор ступенчатого напряжения, дифференциальный .элемент и измёрйтелЬйые компараторы, введены Масштабный делитель, два опорийх йс-точника, масштабные компараторы, элементы НЕ, &леМеНты И, кодовый регистр масштаба, аналоговые ключевые элементы, два компаратора реверса, два элемента ИЛИ, отдэльный элемент НЕ, отдельный триггер, коммутатор, luyH-. .ирую1чие ключевые элементы, декадный делитель, триггеры памяти, элемент йремённой задержки. Отдельный ключевой элемент, причем масгатабный делитель включен между измерительной и общей шинами устройства, первые входа масштабных компараторов соединены с выходом первого опорного источйика, вТорае входы - с выходами . соотйетствуКйяих ступеней масштабного делителя, а выходы - с входами кодового регистра масштаба, выход которого соединен с входом блока отоврё1Жения дайных, аналоговые ключевые элементы, первые входы которых соеди- йены с выходами со6тветСтчуюш х ё У Пекей масштабного Целителя, второй вход первого аналбгового ключа через элемент НЕ -с выходом масштабного |КОмпаратора, вторые входы последую;1йих аналоговых Ключей - с выходами соответствующих масштабных компараторов через последовательно соединённые элементы И и НЕ, а вторые входы элементов и - с выходами предадуиих масштабных компараторов, Опорный вход первого компаратора реверса соединен с выходом генератора ступенчатого напряжения, с первым входом дифференциального эле мёнта и через декадный делитель с обшей шиной устройства , вход перво г о: Компаратора реверса выходами аналоговых ключей, входами измерител ных компараторов, входом второго йгомкаратора реверса, опорный вход которого связан с выходом дифференциального элемента, второй вход котсчрбго соелинен с выходом второго опорного источника. Выход первого компаратора.реверса непосредственно а выход второго компаратора реверса через отдельный элемент НЕ соединены р; йх даяиотдельного триггера и пер вого элемента ИЛИ, выход которого Связан с входами запуска генератора С гупёнчатого напряжения и коммутатора и с входом элемента временной эадё1ржки, выход которого через отдельный ключевой элемент соединен с коко тируйвшм входом блока отображе ния данных. Выходы отдельного триггера соединены с первым и вторым вхЬдами реверса генератора ступенча ftrro напряжения и коммутатора, выхо ды которого через шунтирующие,ключе вые элементы подключены к ступеням -сШт1ётСТ вуйшйХ декад декадного делиТёЛя, а кодовый выход коммутатора с кодовым входом блока отображения данных. Опорные входы измерительных к:о 1Ггараторов соединены с соответствующими ступенями младшей декады декадного делителя, а выходы - с йхожами второго элемента ИЛИ и триг геров памяти, выходы которых соединены с цифровыми входами блока отображения данных, а выход элемента ИЛИ - с управляющим входом отдельного ключевого элемента. Стру kTyjpH ая элекТрическа я схема устройства приведена на чертеже. Устройство соДёрЖЙ т измерительную шину 1, общую шину 2, масштабный дел тель 3/ масштабные компараторы 4, элементы НЕ si элементы И 6, аналого вые элементы 7, опорный источник 8, кодовый регистр 9 масштаба, элемент ИЛИ 10, генератор 11 ступенчатого напряжения с входом 12 запуска, вход ми 1J и 14 реверса и выходом 15, отяель:иый триггер 16, отдельный элемент НЕ 17, опорный источник 18, дифференциальный элемент 19, компара торы 20, 21 реверса, измерительные компараторы 22, «ом Утатор j23 дами 24, входами 25 и 26 рёверса, входом 27 запуска и кодовым выходом 28, шунтирующие ключевые элементы 29 декадный делитёл со ступе нями 30 (R), 31 (R-10 ), , 32 {R10 ), и ступенями 33 ЧК-Ю ), элемент ИЛИ 34, триггеры 35 памяти, элемент 36 временной задержки о-тдельный ключевой элемент 37, блок 38 отображения данных. Устройство работает следующим образом. Измеряемая величина, поступившая на измерительную шину 1, преобразуется масштабным делителем 3, распредеЛ ется по его ступеням и сравнивается параллельно в масштабных компараторах 4 с .набором уровней квантования, образуемых на ступенях делителя 3 образцовым сигналом опорного источника В..Уровень сигнала опорного источника 8 задается равным максимальному значению сигнала генератора 1Ц (источника образцового сигнала последовательного уравновешивания), который равен верхнему граничному значению условного младшего предела. Если измеряемая величина находится в границах условного младшего предела, то ни один из масштабных компараторов 4 не выдаст сигнала больше, равного, например, единичному. В этом случае инвертированным в элементе НЕ 5 нулевым сигналом масштабного компаратора 4, подсоединенного к измерительной шине 1,замкнется аналоговый ключевой элемент 7 в цепи измерительной шины 1 и оба компаратора 20 и 21 реверса, а также все измерительные компараторы 22 подключаются, к измерительной шине 1. идновременно аналоговый ключевбй элемент V на каждом последующем выходе (последующей ступени) масштабного делителя 3 оказывается разомкнутым нулевым сигналом элемента И 6, подключенного к масштабному компаратору 4 в цепи предыдущей ступени масштабного делителя. ЕСЛИ измеряемая величина превышает условный млад1Шй предел, то соответствующая часть масштабных компараторов 4, начиная с масштабного компаратора 4 на измерительной шине 1, срабатывает, а аналоговые элементы 7, подключенные параллельно этим масштабным компараторам 4, окажутся разомкнутыми нулейыми сигналами соответствующих элементов И 6., Нулевым сигналом первого из несработавших компараторов 4,инвертированным в элементе НЕ 5 в цепи данного мастатабного компаратора 4, и единичным сигналом сработавшего масштабного компаратора 4, соседнего с данньо открывается ключевой элемент 7 подсоединенный параллельно данному масштабному компаратору, и тем самым оба компаратора 20 и 21 реверса « все измерительные компараторы 22 подключайотся к соответствующему выходу масштабного делителя 3, Ос- тальные а«алоговые ключевые элементы 7 остаются разомкнутыми. Таким обра зом, на вход компаратор.ов 20, 21 и 22 передается масштабно-преобразог ванный измеряемый сигнал,,но всегда в границах условного младшего преде В исходном состоянии (цепь внешнего сигнала сброса на чертеже не показана) все триггеры 35 находятся в нулевом положении, а все шунтирую щие ключевые элементы 29 закрыты сигналами крммутатора 23, тем ступени 30, 31, 32 декадного делителя оказываются закороченными. . Уровень единичной ступени выходного напряжения генератора 11 выбир.ается в границах одной или несколь ких предпоследних декад кода измеряемой величины, исходя из требований быстродействия и точноети Измерений, а также количества ступеней 33 декадного делителя. Чис ло декад остальн.ых ступеней декадного делителя и их номиналы из пере численного ряда определяются числом ступеней и амплитудой напряжения ге нератора 11. Совместно с измеритель Н1лми компараторами 22 ступени 33 де кадного делителя образуют аналогоцифровой преобразователь считывания работающий в пределах одной или нескольких лaдшиx декад, количество которых обусловлено требуемым быстродействием и допустимой погреш ностью измерений (числом уровней квантования), Указанные требования обеспечивают выбором оптимального соотношения между значением уровня единичной ступени напряжения генератора 11 и числом ступеней 33 декадного делителя с измерительными компараторами 22, т.е. числом уровней квантования единичной ступени генератора 11 и соответственно изме ряемого сигнала, исходя из возможного быстродействия используемых элементов, с учетом временных (спек ральных) характеристик измеряемого сигнала. Выходное напряжение генератора 1 распределяется по ступеням 33 с рав ным и постоянным прираиением, образуя равномерную шкалу квантования измеряемого сигнала по уровню в ука saHHbix пределах. Если условный млад ший предел измерения и амплитуда .напряжения rejiepaTopa 11 равны , где п - число декад, требуемое количество уровней квантования Р, диапазон представления чисел в блоке аналого-цифрового преобразова теля..считывания 10, где К - соответствуюшее число младших декад, то величина единичной ступени напряжения генератора , а коли чество ятих ступеней выбирается рав ным - , т.е. равным Р- 10 . Генератор 11 является реверсивным. В исходном состоянии устройст ва выходное напряжение генератора 11 устанавливают на уровне первой ступени, равном Д . Так как ступени 30-32 декадного делителя закорочены, то напряжение д генератора 11 в качестве опорного распределится по измерительным компараторам 22 в соответствии с дискретными ступенями33декадного делителя. Опорное напряжение при этом на каждом измерительном компараторе 22 отличается от соседнего измерительного компаратора на величину д/Ю Измеряемый сигнал непосредственно или после масштабного преобразования сравнивается в измерительных компараторах 22 с указанной совокупностью (декадной шкалой) дискретных опорных уровней. Если измеряемыйсигнал не превышает урЪвня первой ступени напряжения генератора 116, то срабатывает соответствующая часть компараторов 22, сигналы сравнения которых, представляющие собой единичный код, запомнят подключенные к этим компараторам триггеры 35. Одновременно сигналы сравнения через элемент ИЛИ 34и через HopMajjbHo открытый отдельный ключевой элемент 37 поступают в блок 38. По этим сигналам выполняется считывание единичного кода из триггеров 35 в память блока 38. Положение -каждого триггера 35 однозначно определяется значением выходного сигнала, подключенного к нему измерительного компаратора 22, Всякое изменение выходного сигнала компаратора 22, т.е. появление на его выходе единичного или нулевого сигнала, отображается соответствующим триггером и одновременно, по любому из этих сигналов сравнения при изменении их значения (фомируюиие цепи могут включаться в элемент ИЛИ 34 . или отдельный ключевой элемент 37), .выполняется считывание очередного текущего значения кода из всех триггеров 35в блок 38. Если измеряемая величина остается постоянной, то состояние триггеров 35 также не меняется. Таким образом, при изменениях измеряемой величины в границах ступени напряжения д генератора 11 обеспечивается следящее параллельноеуравновешивание и кодирование прирашений этой величины, а также считывание соответствующих.единичных кодов в блок 38. В рассматриваемом случае организации кодирования приращений и считывания кодов исключается избыточность отсчетов. Сигналы на переключение генератора 11 и коммутатора 23 формируют компараторы 20 и 21 реверса. Компаратор 21 реверса следит за изменением измеряемой величиной и формирует СИ iHajfia управления при ее возрастании, а компаратор 20 реверса -

его умёнБрУенйй, К опорному входу компаратора 20 подводится напрягжёниё уменьшенное на величину и по сравйению с опорным напряжением компаратор а 21. Это до.стигается вйлючен.йем Sустройство опорного источника 18, .напряжение которого в дифференциальном элементе вычитается из опорного напряжения, подводимого к опорному входу компаратора 21 реверса/ т.е. из выходного напряжения гейёратора 11. Когда прирашение измеряемой, величины при ее возрастании достигнет уровня д или превысит его, сработают оба компаратора реверса. Инвертированый в :элементе НЕ 17 единичный сигна сравнения компаратора 20 при этом не будет воздействовать на цепи управления генератора 11 ГСН и коммутатора 23. в то же время единичный сигнал сравнения компаратора 21 переключит отдельный триггер 16, запоминающий Очередность срабатУвания компараторов 20, 21, который подтвердит или включит направление действия генератора 11 (режим увеличения ступенчатого напряжения), а также коммутатора 23 (режим размыкания шунтирующих ключевых элементов 29 и включени соответствующих ступеней декадного делителя). Одновременно сигнал сравнния компаратора реверса 21 через элемент ИЛИ 10 воздействует на вход 12 запуска генератора 11 и вход 27 запуска коммутатора ,23. При этом генератор 11 переключается, и на его выходе формируется напряжение, равйое двум ступеням Д, а коммутатор 23 размыкает шунтирующий ключевой элемент 29 первой ступени 32 1(екадного . делителя, непосредственно подключенной к цепочке ступеней 33. Так как при этом с увеличением напряжения генератора 11 пропорционально возросло и сопротивление декадного делителя (общее сопротивление ступеней 33 равно сопротивлению одной ступени 32), то ггоиращение напряжения на соседних ступенях 33 делителя сохранится прежним, равным/А./Ю, но возрастет при этом на каждой ступени 33 по абсолютному значению на величину л. Далее работа устройства - слежение за измеря.ем-эй величиной в границах ступени & и считывание сигналов кодов с триггеров 35, кодового регис ра 9 и кодового выхода 28 коммутатора 23 (код коммутатора представляет старшие декады измеряемэй величины) происходит аналогично описанному.

При каждом перэключении генератора 11 и коммутатора 23 одновременно включается элемент 36, выполненньй например в виде одйовибратора. Выходяий сигналом этого элемента 36 локируется отдельный ключевой эяемёйт 37на й|5ёйй:пёреходйогЬг tijiouecda ое зеютэчения генератора 11

8

и коммутатора 23 и тем самым исключается считывание с триггеров 35 ложной информации. По завершении действия сигнала элемента 36 из фронта его окончания формируется импульс (цепи формирования входят в элемент 36 ипи отдельный ключевой элемент 37), который через деблокированный ключевой элемент 37 передается в цепь считывания блока 38.

По мере возрастания измеряемой величииь описайный процесс ее сравнения с равномерной шкалой уровней квантования, формируемой на ступенях 33 и изменяюшёйся на величину д в соответствии с последовательным росl-bM напряжения генератора 11 и включением (деблокировкой) отдельных ступеней 32, 31, 30 декадного делителя в каждом такте появления сигнал сравнения компаратора 21 реверса, а также считывание кодов повторяется до тех пор, пока измеряемая величина не начнет уменьшаться. Когда измеряемый сигйал уменьшится на величину, равную л , или несколько превысит ее, выходной сигнал .компаратора 20 реверса станет нулевым и после инвертирования в. элементе НЕ 17 переключит отдельный триггер 16, который в свою очередь переключит генератор 11 в направлении уменьшения выходного напряжения для уравновешивания, а ко1«мутатор 23 - в направлении шунтирования ступеней декадного делителя, одновременно по инвеотированному (единичному) сигналу компаратора 20 реверса, выходное напряжеййе генератора. 11 уменьшится на одну ступень Д и коммутатор 23 отключит соответствующую ступень декадного дели теля. Таким образом, при уменьшении измеряемой величины повторяется процесс ее уравновешивания, но уже пропорционально уменьшающимся образцовым сигналом, формируемым генератором 11 на ступенях 33, с последовательным отключением (шунтированием) ранее включенных в декадйый делитель ступеней. Отключение ступене.й при этом происходит в обратном порядке, начиная с первой деблокированной, подключенной к обшей шине 2-й ступени. Как и при возрастаний измеряемой величины, формирование уравновешивающего сигнала в процессе умейбшения измеряемого происходит с опережением во времени и по уровню на величину (л) т.е. выполняется слежение со скоростью, превышающей скорость из.ме- нения измеряемой величины на отдельных ее участках, заданных уровнями квантования, отстоящими друг от друга на .величину д .

кодирование прйрамений и считывание кодов выполняется аналогично описанному. Устройство обладает повторенным быстродеПствием в широкомдиапазоне уровней измеряемой величины, причем эффективное быстродействие воз{эаста ет благодаря следящему с опережением по времени и уровню уравновешиванию измеряемой величины с бдновременньпи ее параллельным масгутабным преоб.азованием, ,а также вследствие кодирования и считывания только прираще ний измеряемой величины. Адаптивная перестройка делителя на выходе генератора ступенчатого напряжения в соответствии с формируемым уровнем напряжения (квантова ния) обеспечивает постоянство абсолютной погрешности квантования по уровню в пределах одного кванта, т-е-д/чо. Относительная погрешность измерений с расширением предела при этом уменьшается. Использование десятичной шкалы уравновешивания и единичного кода обеспечивает повышение информационной надежности устройства. Потери информации, обусловленные случайным сбоем или даже отказом, элементов в отдельных разрядах, могут быть восстановлены по данным соседних разрядов. Систематический отказ в этом случае легко диагностируется, по результатам нескольких циклов измерения. При измерении периодических сигн лов устройство может быть использовано в режиме накопления данных. Устройство отличается высокой степенью регулярности структуры, , что обеспечивает технологичность его производства в виде больших интегральных схем. Предлагаемое техническое решение позволяет строить оптимальные по быстродействию и затратам оборудова ния цифровые устройства для кодирования сигналов, исходя из возможно достижимых метрологических характеристик элементов - генератора ступе чатого напряжения, ксмпараторов, де кадного делителя напряжения и др. Устройство является многофункцио нальным. Помимо основной функции - следящего кодирования приращений ВХ ной величины, оно позволяет накапли вать данные путем периодического сч тывания кода из триггеров, а также кодировать максимальное з.начение си нала, если блокировать цепь передач выходного сигнала компаратора ревер са, следящего за уменьшением измеряемой величины. Формула изобретения Следящий аналого-цифровой преобр зователь , содержащий блок отображения данных, генератор ступенчатого напряжения, дифференциальный элемен и измерительные компараторы, о т л ич а ю щ и ис я тем, что , с целью повы1иения быстродействия в широком диапазоне уровней кодируемых сигналов введены масштабный делитель, два опорных исто 1ника, масштабные компараторы, элементы НЕ, элементы И, кодовый регистр масштаба, аналоговые ключевые элементы, два компаратора реверса, два элемента ИЛИ, отдельный элемент НЕ, отдельный триггер, коммутатор, шунтирующие ключевые элементы, декадный делитель, триггеры памяти, элемент временной згщержки, отдельный ключевой элемент, причем масштабнйй делитель включен между измерительной и общей шинами устройства, первые входы масштабных компараторов соединены с выходом первого опорного источника, вторые входы соединены с выходами соответствующих ступеней масштабного делителя, а выходы соединены с входами .кодового регистра масштаба, выход которого соединен с входом блока отображения данных, аналоговые ключевые элементы, первые входы которых соединены с выходами соответствующих ступеней масштабного делителя,, второй вход первого аналогового ключа через элемент НЕ соединен с выходом масштабного компаратора, вторые входы последующих аналоговых кл10чей соединена с выходами соответствующих масштабных компараторов через последовательно соединенные элементы И и НЕ, а вторые входы элементов И соединены с выходами предыдущих масштабных компараторов , опорный вход первого компаратора реверса соединен с .выходом генератора ступенчатого напряжения, с первьзм входом дифференциального элемента и через декадный делитель с общей шиной устройства, вход первого компаратора реверса соедданен с выходами аналоговых ключей, входами измерительных компараторов и входом второго компаратора реверса, опорный вход которого соединен с выходом дифференциального элемента, второй вход которого соединен с выходом в.торого опорного источника, выход первого компаратора реверса непосредственно, а выход второго компаратора реверса через отдельный элёмёйт НЕ соединены с входами отдельного триггера и первого элемента ИЛИ, выход которого соединен с входами запуска генератора ступенчатого напряжения и коммутатора и с входом элемента временной задержки, выход которого- через отдельный ключевой элемент соединен с коммутирующим входом блока отображения данных, выходы отдельного триггера срединены с. первым и вторым входами реверса генератора ступенчатого напряжения и коммутатора, выходы которого через шунтирующие ключевые элементы подсоед;инены к ступеням

738150

11

соответствующих декад декадного дели,теля, кодовый ввход к6м утатора соединей с кодовым входом блока отображения данных, опорные входы измерительных ксмлпараторов соединены с соответствуюшймй ступёнями младшей декада декёщного делителя, а выходы соединены с входами второго элемента ИЛИ и триггеров памяти, выходы которых соединены с цифровыми входами блока отображения данных, а выход элемента

12

ИЛИ соединен с управляющим входом отдельного ключевого.элемента.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1.Муттер В.М. Аналого-цифровые следящие систеьчы. Л,, Энергия, 1974, с,20, рис. 1-3,

2,Шляндин В.Н. Цифровые электроиэмеЬительные приборы. М., Энергия, 1972, с.255, рис. 6-8 (прототип) ,