Функциональный цифро-аналоговый преобразователь Советский патент 1980 года по МПК G06J3/00 

Изобретение относится к цифроаналоговым преобразователям, находя щим применение в радиотехнических установках различного назначения (например, в компенсаторах диодных высокочастотных вольтметрах переменного напряжения, в схемах компарирования выходного напряжения нели нейных датчиков и т .-д,), в электроизмерительной и электронно-вычислительной технике, системах управления и автоматики. Известен цифро-аналоговый преобразователь, содержащий генератор импульсов, счётчик импульсов, узел сравнения кодов „-блок преобразования напряжения с аналоговым к.лгочом, блоком управления аналоговым ключом источником образцового напряжения и усредняющим устройством {. Недостатком известного цифроанал гового преобразователя является воз можность иметь только линейную зави мость между входным управляющим код и выходным напря.жением. Наиболее близким по технической сущности к данному изобретению явля ется цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП) с промежуточным преобразованием в широтно-импульсно модулированный (ШИМ) сигнал, содержащий генератор импульсов, счетчик импульсов , первым кодовым выходом соединенный с первьюда кодовьвда входами первого и второго узлов сравнения кодов и выходом нулевого положения с первыми входами первого и второго узлов управления, вторые входы которых соединены с -выходами соответственно первого и ВТОРОГО узлов сравнения кодов, вторыми, кодовыми входами соединенных с кодовыми входами соответственно старших и мпгцаших разрядов преобразователя, соединенные последовательно источник образцового напряжения, первый аналоговый ключ и усредняющее устройство, выход которого служит выходом преобразователя, второй вход усредняющего устройства соединен с выходом источника образцового напряжения через второй аналоговый ключ, вторые входы аналоговых ключей соединены с выходами соответствующих узлов управления, а выход генератора импульсов соединен со входом счетчика импульсов 2. Недостатком этого известного ЦАП является также только линейная зависимость между значением преобразуемого кода и выходным аналоговым сигналом, так как использование младших разрядов преобразуемого кода для получения функционального преобразования не обеспечивает требуемой точности из-за суммирования напряжения, пропорционгшьного значению коца младших разрядов, с напряжением, пропорционсшьным значению коЦа старших разрядов с постоянным весовым коэффициентом.

Цель изобретения - получение функциональной зависимости между выходной аналоговой величиной и .значением преобразуе: юго кода.

Поставленная цель достигается тем что в ЦАП с промежуточным преобразованием в ШИМ-сигнал введены счетчик с выходным дешифратором, два блока постоянной памяти кодов, третий узел сравнения кодов и модулятор, выход которого подключен ко входу счетчика импульсов, вход модулятора - к выход генератора импульсов, второй кодовыйвыход счетчиха импульсов соединен с первым кодовым входом третьего узла сравнения кодов, выход которого чере счетчик с выходным дешифратором подключен ко входам блоков постоянной памяти кодов, выход первого из которых соединен со вторым кодовым входом третьего узла сравнения кодов, а выход второго блока постоянной памяти кодов - со вторым входом модулятора.

Цель изобретения - также повышение точности функционального преобразования.

Эта цель достигается тем, что в преобразователь введен блокирующий узел, выход которого подключен ко второму входу второго узла управления, первый вход - ко второму кодовому выходу счетчика импульсов, а второй вход - к дополнительному-выходу первого узла управления.

. Применение такого преобразователя в компенсаторах позволяет легко изменять характер функциональной зависимости между выходной аналоговой величиной и входным преобразуемым кодом, что необходимо для перехода от одного -типа датчиков к другому или при применении детекторных диодов с различными характеристиками.

На фиг. 1 представлена блок-схема функционального ЦАП с промежуточным преобразованием в ШИМ-сигнгш; на фиг. 2 - график работы преобразователя, представленного на фиг.1; на фиг. 3 - блок-схема функционального ЦАП с промежуточным преобразованием в ШМ-сигнал, имеющего повьиенную точность преобразования; на фиг. осциллограммы работы преобразователя представленного на фиг.З.

Функциональный преобразователь содержит генератор 1 импульсов, счетчи 2 импульсов, первый и второй узлы

3 и 4 сравнения кодов и блок 5 преобразования напряжения, В блок 5 Включены первый и второй аналоговые ключи 6 и 7, к первым входам которых подключены выходы соответсгвенно первого и второго узлов 8 и 9 управления. Ко вторым входам аналоговых ключей б и 7 подсоединен выход источника 10 образцового напряжения. Каходы ключей б и 7 соединены со входами усредняющего устройства 11. Вход 12 старших разрядов преобразуемого кода соединен со вторым кодовым входом узла 3, выход которого соединен со вторым входом узла 8. Вход 13 младших разрядов преобразуемого кода соединен со вторьлм входом узла 4, выход которого соединен со вторым входом узлд 9. К выходной клемме 14 преобразователя подключен выход . усредняющего устройства 11. Параллельный кодовый выход 15 счетчика 2 соединен с первыми входами узлов З.и 4. Выход 16 нулевого положения счетчика 2 соединен с первыми входами узлов 8 и 9 управления. Выход генератора 1 подключен к первому входу модулятора -17. Выход счетчика 18 с выходным дешифратором подключен ко входам первого и второго блоков 1$ и 20 постоянной памяти кодов. Выход второго из этих блоков подключен ко второму входу модулятора 17, выходом соединенного со входом счетчика 2. К первому кодовому входу третьего узла 21 сравнения кодов подключен второй кодовый выход 22 счетчика 2, ко второму кодовому входу - выход блока 19, а к выходу - вход счетчика 18с дешифратором.

На фиг, 2, а кривая у f(х) изображает аппроксимируемую зависимость; ломанная линия ОАВС - кусочно-линейную зависимость, аппроксимирующую зависимость у f{x) с наперед заданной точностью; кривая б - накопление кода в счетчике 2; в - счетные импульсы на выходе модулятора 17 периода следования счетных импульсов, здесь , Га, периоды следования счетных импульсов на аппроксимирукявих отрезках ОД, АВ,ВС соответственно; г - импульсы на выходе узла 3 сравнения старших раз-рядов кодов; кривая д - положения счетчика 18 Числа аппроксимирующих отрезков; е - импульсы, поступающие на узел 8 управления аналоговыг ключом б; 1, 3. - импульсы на выходе 16 декадного счетчика 2 импульсов, возникающие в момент совпадения старших разрядов управляющего кода и кода в счетчике; 2 - импульс на выходе узла 3 сравнения; ж - эпюра напряжения на выходе аналогового ключа 6; кривая 3 - напряжение на выходе усредняющего устройства 11; кривая и - эпюра напряжения на выходе аналогового ключа 7. Работа преобразователя при преоб разовании старших разрядов преобразуемого кода происходит следующим образом. Преобразователь работает с посто ным периодом повторения процесса Т, определяемым объемом NHIC« счетчика 2 поэтому выходное напряжение и,,, зависит от длительности интервала T (фиг.2)ив.--ЕТ-(t) Нетрудно убедиться, что ( N,,-N,nr,j( M,-N,г ооп5-Ь ,,-(-, . отсюда N,ir,(N4-N,-)t2 N-:VS-W ma4 N 3 Из формулы (2), которая является общей как для кусочно-линейной, так и для плавной аппроксимации, ясно, что зависимость (Ncz.) является: линейной, если € (N)C invar (N) нелинейной,если Т(N) invar (N) Например, если 17 (N) Со N , получим квадратичную зависимость IShw Из вьанеизложеиного следует, что изменяя период следования tXj счет чика 2 в зависимости от значения текущего кода N, накапливаемого в , нем, можно получить различную зависимость между и, ,,1 и кодом N2 на Входе 12. Период следования счетных импуль сов изменяется при помсяци модулятор 17, который управляется от блока 20 постоянной Памяти кодов крутизны аппроксимирующих отрезков. Последни выдает код управления модулятором 17 в зависимости от текущего кода накопленного в счетчике 2. Код упра ления переключается при поь«эщи счет чика 18. Покажем, каков должен быть харак тер зависимости периода следования импульсов fi от значения текущего кода N. Продифференцировав (2), по лучим Ц.хСК,г;ст, отсюда (.. dK -. Следовательно, модулятор 17 должен вырабатывать период следования счетных импульсов пропорционально крутизне (производной) передаточной функции Овых вых {N). На основан выяеописанного функциональная завис мость между входным кодом N г и выходным напряжением преобразовател достигается посредством нелинейного заполнения счетчика 2 преобразовате При исходном положении преобразователя (в момент времени ) в исходном нулевом положении находятся счетчик 2 и счетчик 18 числа аппроксимирующих отрезков (фиг. 2д, уровень NO). Предположим также, что на вход с узла 3 со входной 12 подается входной код Ng (Фиг.2а,б), соответствующий выходному напряжению . В этом положении на вход модулятора 17 из блока 20 поступает код, соответствующий периоду f (фиг.2в) следования импульсов заполнения счетчика 2 на отрезке ОА, а на вход третьего узла 21 сравнения кодов из блока 19 поступает код, соответствующий точке А перелома (фиг.26). Описанное положение возникает после сбрасывания счетчика 2 и счетчика 18 числа аппроксимирующих отрезков импульсом и (фиг.2е) в исходное нулевое положение. В этом положении ключ б замкнут и на вход усредняющего устройства 11 поступает образцовое напряжение от источника 10. Выходные импульсы модулятора 17, период следования которых t (фиг.2в) определяется выходным кодом блока 2D; соответствующим крутизне отрезка ОА (фиг.2а,б), поступают на вход счетчика 2, который начинает заполняться. Код N, соответствующий точке перелома А (фиг.26) подается с его кодовых выходов 15 и 22 на входы узлов 3 и 21 сравнения кодов. На вход узла 21 сравнения из блока 19 подается код, соответствующий точке А перхелома (фиг.26). В момент равенства кодов на входах узла 21 на его выходе возникает импульс А (фиг.2г), считываемый счетчиком 18, и система переходит в состояние N (фиг.2д), в результате чего на вход модулятора 17 и на вход узла 21 подаются новые коды, соответствующие периоду следования импульсов на выходе модулятора 17 -Tj (фиг.2в) и точке перелома В (фиг.2д), соответственно. В результате этого, период следования счетных импульсов меняется пропорционально крутизне аппроксимирующего отрезка АВ и становится равным Т (фиг.2в). Щэи заполнении счетчика 2 до кода, соответствукидего точке В, происходят процессы, аналогичные процессам, имекидим место в точке А. Когда счетчик 2 заполняется до кода, соответствующего входному коду N2 (фиг.26), узлом 3 вырабатывается импульс, котс ый действуя на узел 8 (фиг.2е, поз.2), размыкает ключ 6 и прекращает поступление образцового напряжения (фиг.2к) от источника 10 на вход усредняющего устройства 11. Процесс продолжается до полного заполнения счетчика 2, тогда схема переключается в исходное нулевое положение (фиг.26, точка С), после чего весь процесс начинается снова и циклически повторяется. Процесс преобразования младших разрядов управляющего кода происходит следующим образом. При исходном положении (в момент времени О) импульс с выхода 16 счетчика 2 включает через узел 9 управления ключ 7 и образцовое напряжение источника 10 подключается на второй вход усредняю щего устройства 11. Когда код в счет чике накопится до значения, равного младшим разрядам кода управления N входе 13, тогда на выходе узла 4 сравнения возникает импульс, переключающий через узел 9 управления ключ 7 в исходное состояние, и пода напряжения от источника 10 на второ вход усредняющего устройства прекра щается. Таким образом, на втором входе усредняющего устройства 11 образуется импульс с длительностью и периодом повторения Т, Усредняюще устройство 11 усредняет это напряже ние и суммирует в заданном соотноше нии с усредненным напряжением старших разрядов кода управления, поступающих через ключ б, и образуется суммарное напряжение на выходе 14 преобразователя. Напряжение на выходе 14 от младших разрядов кода управления пропорционально выражению (фиг.26,и): J т; ItrlMldu Напряжение U-jy, зависит только от кода N, и непропорционально круdUbbiuJNa) характеристики пре образования в окрестности точки N как это требуется на основании разложения функции преобразования в ряд Тейлора. По этой причине код младших разрядов преобразуется с ме дической погрешностью тем большей, чем больше изменение крутизны в диапазоне : Ny axИсходя из этого, данное решение уве личения разрешающей способности при менимо в функциональном преобразова теле при небольших изменениях крути ны и небольшом I значении N ,г, (например, если Nvflds. 0,01 крутизна меняется в два раза, то южнo обеспечивать методическую погрешность преобразования младших разрядов i:0,17%. таким образом, настоящее изобретение обеспечивает достижение поста ленной перед ним цели - получение функциональной зависимости между вы ходной аналоговой величиной и знач нием управляющего кода цифро-анало гового преобразователя с промежуточным преобразованием в ШИМ-сигнал В преобразователе, представленн на фиг.З, генератор 1, счетчик 2, узлы 3,4, со вxoдны 1и клеммами 12, 3, блок 5 с ключами 6,7 и узлами ,9 управления, источником 10, уседняющим устройством 11 и выходной клеммой 14, модулятор 17, счетчик 18, блоки 19 и 20 постоянной памяти кодов и узел 21 соединены между собой аналогично одноименным узлам преобразователя, схема которого дана на фиг.1. Ко второму входу узла 9 подключен выход блокирующего узла 23. Ко второму входу 25 узла 23 подключен дополнительный выход 26 узла 8 управления ключом 6, а к первому входу 24 узла 23 - второй кодовый выход 22 счетчика 2. В этом преобразователе на вход узла 9 управления аналоговым ключом 7 подаются управляющие импульсы с выхода узла 4 сравнения кодов и с выхода блокирующего узла 23. На первый вход узла 4 подается код с выхода 15 счетчика 2. На второй вход узла 4 со входной клеммы 13 подаются младшие разряды преобразуемого кода. На первый вход 24 блокирующего узла 23 подается код с выхода 22 счетчика 2, на второй вход 25 узла 23 подаются импульсы с дополнительного выхода 26 узла 8 управления ключом 6. Ключ 7 включается после выключения ключа 6 и выключается при совпадении кодов на входах узла 4 сравнения кодов. Блокирующий узел 23 обеспечивает однократность, включения и выключения ключа 7 в течение одного цикла. Выходные импульсные.н апр яжения обоих ключей 6 и 7 суммируются и усредняются устройством 11. Осциллограммы работы преобразователя с повышенной точностью преобразования (фиг.4) изображают зависимость входного напряжения усредняющего устройства 11 от времени для ключа 6 (UB) и для ключа 7 (u) . Здесь - интервал времени, в тече ние которого замкнут основной ключ 6, Т - интервал времени, в течение которого замкнут ключ 7, Т - интервал времени, соответствующий времени полного цикла (длительность цикла). На фиг, 3 и 4 видно, что временное расположение импульса т , , соответствующего младшим разрядам кода N 2 зависит от длительности Т импульса старших декад-.кода длительность Т, определяемая значением периода следования Г (N/j) счетных импульсов при окончании Т (например , фиг , 2 Zr-T при Т и N),T.e. зависит от значения старших разрядов кода управления N.. Следовательно, преобразование младших разрядов Nj кода производится пропорционально производной в соответствии с формулой (3): . I ., .pll-pt1131 J . йыч «- -г -с т С вы - т что находится в соответствии с выводами, сделанными выше на основани формулы Тейлора,и .обеспечивает тем самым высокую точность преобразован младших разрядов преобразуемого код Таким образом, настоящее изобретение обеспечивает повышение точнос функционального преобразования. Применение функционального цифро аналогового преобразователя с проме жуточным преобразованием в ШИМ-сигн в радиотехнических устройствам дает возможность заменить в них, наприме малонадежные резистивные делители напряжения, параметры которых зависят от температуры и нестабильны во времени. При этом устраняется также необходимость включения переключате лей в сигнальную цепь, как это делается в резистивных делителях напряжения, где к переключателям пред являются высокие требования в части переходного сопротивления и сопротивления изоляции. В схемах с функциональными цифро-аналоговыми преобразователями с ШИМ-сигналом в качестве делителей напряжения переключатели находятся в цепи входного управляющего кода и к ним не предъявляется высоких требований. Следовательно, реализация функциональног цифро-аналогового преобразователя согласно настоящему изобретению ;позволяет создать радиотехнический узел, например, управляемый функцио нально источник напряжения, обладаю щий высокой надежностью, которую мож но повысить еще более реализацией его на современных интегральных эле ментах. Формула изобретения 1. Функциональный цифро-аналоговый преобразователь с промежуточным преобразованием в широтно-импульсно модулированный сигнал, содержащий генератор импульсов, счетчик импульсов , первым кодовым выходом соединенный с первыми кодовЕлми входами первого и второго узлов сравнения кодов и выходом нулевого положения с первыми входами первого и второго узлов управления, вторые входы которых соединены с выходами соответственно первого и второго узлов сравнения кодов, вторыми кодовьлми входами соединенных с кодовыми входами соответственно старших и младших разрядов преобразователя, соединенные последовательно источник образцового напряжения, первый аналоговый ключ и усредняющее устройство, выход которого служит выходом преобразователя, второй вход усредняющего устройства соединен с выходом источника образцового напряжения через второй аналоговый ключ, а иторые входы аналоговых ключей соединены с выходами соответствующих узлов управления, отличающийс я тем, что, с целью получения функциональной зависимости между выходной аналоговой величиной и значением преобразуемого кода,в него введены счетчик с выходным дешифратором, два блока постоянной памяти кодов, третий узел сравнения кодов и модулятор, причем выход последнего подключен ко входу счетчика импульсов , вход модулятора - к выходу генератора импульсов, второй кодовый выход счетчика импульсов соединен с первым кодовым входом третьего узла сравнения кодов, выход которого через счетчик с выходным дешифратором подключен ко входам блоков постоянной памяти кодов, выход первого из которых соединен со вторым кодовым входом третьего узла сравнения кодов, а выход второго блока постоянной памяти кодов - со вторым входом модулятора. 2. Преобразователь по п.1, о тли чающийся тем, что, с целью повышения точности функционального преобразования, в него введен блокирующий узел, выход которого подключен ко второму входу второго узла управления, первый вход - ко второму кодовому выходу счетчика импульсов, а второй вход - к дополнительному выходу первого узла управления . Источники-информации, принятые во внимание при экспертизе 1.Патент США 3646595, кл. 340-347 NT. 2.Патент Франции № 1484701, кл. G 01 R (прототип).

f-TI

W

го

Г

2

i

W

P2

tf

6

i/5

«

I

I

0 15

Й

. .s./.

а

и.

Ti

«

и-Ьйх

3

и.

Жто-х

йббХ

Z

25j

S

fO

Ш

I

г

1