Способ аналого-цифрового преобразования и устройство для его осуществления Советский патент 1980 года по МПК H03K13/20 

1

Изобретение относится к измерительной технике, может быть использовано в системах автоматического измерения, а также в качестве автономного измерительного прибора с автоматической цифровой коррекцией аддитивной и мультипликативной погрешностей преобразования аналоговой величины в цифровой код.

Известен способ аналого-цифрового преобразования, основанный на подключении измеряемого напряжения на вход интегратора на постоянное время, подключении опорного напряжения нолярности, противоположной измеряемому, формировании временного интервала до момента достижения нулевого состояния на выходе интегратора, во время которого подсчитывают импульсы тактовой частоты; коррекция уходов характеристик нреобразователя но данному сносооу осуществляется циклическим подключением иа вход интегратора на определенное время эталонного напряжения полярности измеряемого сигнала. Полученный при этом код сравнивается с эталонным кодом, соответствующим расчетному значению. В зависимости от результата сравнения подключают напряжение положительной или отрицательной полярности на вход интегрирующей цепи, напряжение с выхода которой постоянно поступает иа вход интегратора и стремится уменьшить ошибку, а устройство для осуществлення способа содержит ключи, нуль-орган, логический блок, вентиль, счетчик, блок сравнения чисел, 5 блок ключей, интегратор, источники преобразуемого, эталонного и опорного напряжений, источники положительного и отрицательного напряжений 1.

Недостатками способа и устройства являJQ ются низкое быстродействие отработки ошибки с постоянной скоростью, равной единице младшего разряда за цикл преобразования, что обусловлено постояпной времени интегрирующей цепи.

5 Известеи способ аналого-цпфрового преобразования, основанный на подключении первого эталонного напряжения к преобразователю «иапряжение-частота, формировании номинального времени измерения иу90 тем подсчета имиульсов эталонной частоты, равного номинальному значению множителя калибровки, с одновременным подсчетом нмпульсов частоты, пропорциональной иервому эталонному напряжению за сформированное время, подключении второго эталонного напряжения к преобразователю «напряжение-частота, подсчете количества импульсов частоты, пропорциональной второму эталонному напрял :ению, до значе3J ния, равного разности номинального значения, соответствующего максимальному входному напряжению и подсчитанного ранее количества импульсов, с одновременным подсчетом количества импульсов эталонной частоты, формированием нового значения множителя калибровки, сравнении значений полученного и номинального множителей калибровки, повторением вышеуказанных операций в случае, если результат сравнения больше заданного, формировании множителя смешения нуля путем подсчета импульсов частоты, пропорциональной первому эталонному напряжению за время измерения, равное времени подсчета количества импульсов эталонной частоты, равного значению множителя калибровки в случае,, если результат сравнения меньше или равен заданному, последуюш,ем подключении измеряемого нанряжения к преобразователю «напряжение-частота, о величине которого судят по разности количества импульсов частоты, пропорциональной измеряемому напряжению за время измерения и множителя смеш,ения нуля, а устройство для его осушествления содержит источники измеряемого и двух эталоннь1х напряжений, преобразователь «напряжение-частота, вход которого через аналоговые переключатели соединен с источниками напряжений, первые три выхода блока управления соединены с управляющими входами аналоговых переключателей, первые входы первого, второго, третьего, четвертого элементов И соединены с четвертым, пятым, шестым и седьмым выходами блока управления соответственно, а вторые соединены с выходом иреобразователя «напряжение-частота, входы первого и второго реверсивных счетчиков соединены с выходами первого, второго, третьего и четвертого элементов И соответственно, и генератор эталонной частоты (2).

Недостатки способа и устройства - низкое быстродействие.

Целью изобретения является повышение быстродействия.

Указанная цель достигается тем, что при аналого-цифровом преобразовании способом, основанным на преобразовании в частоту следования импульсов измеряемого и двух эталонных напряжений и формировании кода, соответствующего разности количества импульсов частоты, пропорциональной измеряемому напряжению за время измерения и кода начальной установки, время измерения формируют подсчетом импульсов частоты, пропорциональной коду разности количеств импульсов частоты, пропорциональных первому и второму эталонным напряжениям, подсчитанных за эталонное время, а код начальной установки формируют, вычитая из количества импульсов частоты, пропорциопальной одному из эталонных напрял :ений за время измерения кода, номинальное значение этого

эталонного напряжения, а устройство для реализации способа содержит преобразователь «напряжение-частота, вход которого через аналоговые переключатели соединен с выходами источников двух эталонных напряжений и измеряемого напряжения, первые три входа блока управления соединены с управляющими входами аналоговых переключателей, первые входы первого, второго, третьего и четвертого элементов И соединены с четвертым, пятым, шестым и седьмым выходами блока управления соответственно, а вторые входы соединены с выходом преобразователя «напряжение-частота, входы первого и второго реверсивных счетчиков соединены с выходами первого, второго, третьего и четвертого элементов И соответственно. Входы двоичного умножителя соединены с выходами первого

суммирующего и второго реверсивного счетчиков, а выход соединен с входом второго суммирующего счетчика, выход которого соединен с входом блока управления, входы элемента ИЛИ соединены с четвертым

и пятым выходами блока управления, первый вход пятого элемента И соединен с выходом генератора эталонной частоты, второй вход соединен с выходом элемента ИЛИ, а выход соединен с входом первого

суммирующего счетчика.

Структурная электрическая схема устройства для осуществления способа приведена на чертеже.

Устройство содерлсит источники 1, 2 эталонных нанряжений, источник 3 измеряемого напряжения И, аналоговые переключатели 4. 5, 6, преобразователь 7 «напряжение-частота, блок 8 управления, элементы И 9-13, элемент ИЛИ 14, генератор 15

эталонной частоты, реверсивные счетчики

16,17, суммирующие счетчики 18 и 19, двоичный умножитель 20. Элемент И 13, элемент ИЛИ 14, генератор 15, суммирующий счетчик 18, двоичный умножитель 20 образуют преобразователь «код-частота.

По команде «измерение, поступающей на блок 8, начинается процесс измерения, состоящий из двух тактов; калибровки и измерения. Такт калибровки разбит на три

подтакта. На первом подтакте калибровки блок 8 через аналоговый переключатель 4 подключает источник 1 на вход преобразователя 7, на выходе которого формируется частота fi:

P.F.i + K,U,

где Foz - начальная частота преобразователя;

Kt - крутизна преобразователя.

Частота г поступает через элемент И 12,

на который подано разрещение с седьмого

выхода блока 8, на время ti const на

суммирующий вход реверсивного счетчика

17,в котором за время ti поступит количество импульсов NI.

4onst - onst (Pill + )Ha втором подтакте калибровки блок 8 через аналоговый переключатель 5 подключает источник 2 на вход преобразователя 7, на выходе которого формируется частота FZ.

2--Ojr-v- O

Частота FZ поступает через элемент И 11, на который подано разрешение с шестого выхода блока 8, на время tz /i на вычитающий вход реверсивного счетчика 17, в который за время tz поступит количество импульсов NZ.

2 - 4onst 2 const ( + ).

После первых двух подтактов калибровки в реверсивном счетчике 17 будет записано количество импульсов NZ.

IV, N,- N, . ,оп,,. Ki (U - и,).

На третьем подтакте калибровки блок 8 через аналоговый переключатель 5 подключает источник 2 на вход преобразователя 7, на выходе которого формируется частота FZ, поступающая через элемент И 10, на который подано разрешение с пятого выхода блока 8, на вычитающий вход реверсивного счетчика 16. На третьем нодтакте калибровки разрешение с пятого выхода блока 8 через элемент ИЛИ 14 поступает также на вход элемента И 13, и импульсы с частотой Fэ с выхода генератора 15 поступают на вход суммирующего счетчика 18. На потенциальные входы двоичного умножителя 20 поступают сигналы с выходов реверсивного счетчика 17, на импульсные входы двоичного умножителя 20 поступают сигналы с выходов суммирующего счетчика 18. На выходе двоичного умножителя 20 формируется частота

ЭТ

П

yV,

где NS - код в реверсивном счетчике 17: N - емкость реверсивного счетчика 17

и суммирующего счетчика 18. Импульсы с частотой F поступают на вход суммирующего счетчика 19 и заполняют его до значения As, которое определено заранее. HoCvie заполнения суммирующего счетчика 19 соответствующий сигнал поступает на вход блока 8. На этом заканчивается время /3 мзм. (время третьего подтакта) :

Л

изм -

За время /„зм. иа вычитающий вход реверсивного счетчика 16 через элемент И 10, па который подано разрешение с пятого выхода блока 8, поступит количество импульсов

N, - „зм -г, - ( + ).

JsT-V.i

На втором такте - такте измерения - блок 8 через аналоговый переключатель6 подключает источник 3 на вход преобразователя 7, на выходе которого формируется частота

F, F,, + К,и,.

Частота f.v поступает через элемент И 9, на который подано разрешение с четвертого выхода блока 8, на суммирующий вход реверсивного счетчика 16, в который за время /4 3 (время 3 пзм. формируется как на третьем подтакте калибровки) поступит количество имиульсов Лд:;

N,.-N,

(F,, + KiU,}.

jr - изм X

,

После такта измерения в реверсивном счетчике 16 будет записано количество импульсов Лвых. If и 1 г т

.(Ux-Uo}

/ эт-Л:,

Ki(,}

f/д.- f/O

А

Ki(U,,

и.

и„

где

А const.

ЭТconst

Таким образом, на результат аналогоцифрового преобразования не влияют систематические погрешности преобразователя 7, иогрещность «ухода нуля (Fo;) и погрешность «изменения крутизны (Кг).

Устройство, обработав результаты измерения напрял епий от источников 1, 2, формирует время измерения (/„зм.) и начальную установку (Лб), которые компенсируют уход характеристик преобразователя 7 при

измерении измеряемого напрял ения «нулевая частота (foO и «крутизна (/(,-).

Формула изобретения

1- Способ аналого-цифрового преобразования, основанный на преобразовании в частоту следования импульсов измеряемого и двух эталонных напряжений и формировании кода, соответствующего разности количества имиульсов частоты, пропорциональной измеряемому напрял :ению за время измерения и кода начальной установки, о тл и ч а ю щ и и с я тем, что, с целью повышения быстродействия аналого-цифрового

преобразования, время измерения формируют подсчетом импульсов частоты, пропорциональной коду разности количеств импульсов частот, пропорциональных первому и второму эталонным наирял ениям, иодсчитайных за эталонное время, а код начальной установки формируют, вычитая из количества импульсов частоты, пропорциональной одиому из эталонных напряжений за время измерения кода, номинальное значенпе этого эталонного напряжения.

7

2. Устройство для осуществления способа по п. 1, содержащее преобразователь «напряжение-частота, вход которого через аналоговые переключатели соединен с выходами источников двух эталонных напряжений и измеряемого напряжения, нервые трн входа блока управления соединены с управляющими входами аналоговых переключателей, первые входы первого, второго, третьего и четвертого элементов И соединены с четвертым, пятым, шестым и седьмым выходами блока управления соответственно, а вторые входы соединены с выходом преобразователя «напряжение-частота, входы первого и второго реверсивных счетчиков соединены с выходами первого и второго, третьего и четвертого элементов И соответственно, входы двоичного

8

умножителя соединены с выходами первого суммирующего и второго реверсивного счетчиков, а выход соединен с входом второго суммирующего счетчика, выход которого соединен с входом блока унравления, входы элемента ИЛИ соединены с четвертым и пятым выходами блока управления, первый вход пятого элемента И соединен с выходом генератора эталонной частоты, второй вход соединен с выходом элемента ИЛИ, а выход соединен с входом первого суммирующего счетчика.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1. Авторское свидетельство СССР 415679, кл. G 06J 3/00, 1973.

2. Патент США № 3633202, кл. 340-347 AD, 1972 (прототип).