Аналого-цифровой преобразователь Советский патент 1981 года по МПК H03K13/02 

(54) АНАЛОГО-ЦИФРОВОЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ

Изобретение относится к автоматике и вычислительной технике, в частности может быть использовано в ради навигационных системах для преобразования аналоговых напряжений в цифровой код. Известен аналого-цифровой преобразователь, содержащий электронные ключи, сумматор, фильтр, нуль-орган и преобразователь фаза-код til. Недостатками этого устройства являются значительные погрешности, вы, званные нестабильностью элементов, ме тодические и температурные погрешности, малое быстродействие, а также зна чительная сложность При реализации. Известен аналого-цифровой преобразователь, содержащий последова тельно соединенные сумматор, интегратор и преобразователь фаза-код, причем вход интегратора соединен с выходом сумматора, а выход подключен ко входу преобразователя фаза-код, выходы двух распределителей соединены с шиной тактовых импульсов, а 2N выходов каждого распределителя соединены соответственно с управляющими входами двух коммутаторов, первые выходы которых соединены со входами сумматора, а вторые подключены ко входам последнего через соответствующие инверторы, при этом N входов каждого коммутатора соединены с соответствующими выходами двух весовых матриц, входы которых являются входами преобразователя 23, Недостатками известного преобразователя являются ограниченная точность преобразования и малое быстродействие. Это вызвано тем, что точность преобразования увеличивается с увеличением количества уровней преобразовайия, а увеличение последнего вызывает резкое увеличение аппаратурных затрат. Так, например, для 100 уровней преобразования в известном устройстве необходимо применение 400 электрон3ных ключей (в каждом из двух коммутаторов по 200). Отсюда видно, что при таком построении функциональной схемы, повышение точности преобразования ограничивается аппаратурными затратами. Невысокое быстродействие известного устройства связано с тем, что при небольшом количестве уровней преобразования, измерение сформированного фазового сдвига необходимо осущест влять по И периодам сигнала с целью усреднения ошибок, вызыванных высшими г армо ник ами. Цель изобретения - повьшение точности и быстродействия преобразователя. Поставленная цель достигается тем, что в аналого-цифровой преобразовател содержащий шину тактовых импульсов, два коммутатора и последовательно включенные сумматор, интегратор и пре образователь фаза-код, дополнительно введены формирователь управляющих сигналов, два реверсивных счетчика, два постоянных запоминающих устройства и два преобразователя код-напряжение, причем вход формирователя управляющих сигналов подключен к шине тактовых импульсов, первый и второй выходы соответственно соединены с первыми входами первого и второго коммутаторов , а третий и четвертый выходы подключены к соответствующим входам первого и второго реверсивных счетчиков, счетные входы которых подключены к шине тактовых импульсов, а установочные входы - к пятому выходу формирователя управляюц их сигналов, выходы первого и второго реверсивных счетчиков подключены, соответственно ко входам первого и второго постояннь1х запоминающих устройств, выходы к торых соответственно соединены с пер выми входами первого и второго преобразователей код-напряжение, вторые входы которых соответственно подключены к выходам первого и второго ком мутаторов , вторые входы которых соед нены с соответствующими входами преобразователя, выходы первого и второ го преобразователей код-напряжение подключены к соответствующим входам сумматора, при этом каждый коммутатор выполнен на двух электронных клю чах,-инверторе и логическом элементе НЕ, причем первый и второй входы Первого электронного ключа подключен . к соответствуюящм входам коммутатора 3 непосредственно, а tiepBbiii и второй входы второго электронного ключа через инвертор и логический элемент Е, выходы электронных ключей подключены к выходу коммутатора. На фиг. 1 приведенаструктурная -Электрическая схема предлагаемого устройства; на фиг. 2 - функциональная схема коммутатора; на фиг. 3 - эпюры напряжений в точках а-р. Аналого-цифровой Преобразователь содержит шину 1 тактовых импульсов, формирователь 2 управляющих сигналов, первый и второй реверсивные счетчики 3 и 4, первое и второе ПЗУ 5 и 6, первый и второй ПКН 7 и 8, первый и второй коммутаторы 9 и 10, сумматор II, интегратор 12 и преобразователь 13 фаза-код. Вход формирователя 2 управляющих сигналов подключен к шине I тактовых импульсов, а выходы Зн. sin и Зн. cos соединены с управляющими входами первого и второго коммутаторов 9 и 10 соответственно, кроме этого выходы sin и -cos формирователя 2 управляющих сигналов подключены соответственно к первому и.второму реверсивным счетчикам 5 и 4, счетные входы которых подключены к шине 1 тактовых импульсов, а установочные входы к выходу Установка формирователя 2 управлякяцих сигналов, при этом выходы первого и второго реверсивных счетчиков 3 и 4 подключены, соответственно, ко входам первого и второго ПЗУ 5 и 6, выходы которых соответственно соединены с первыми входами первого и второго ПКН 7 и 8, вторые входы которых подключены, соответственно, к выходам первого и второго коммутаторов 9 и 10, Б свою очередь вторые входы последних являются входами преобразователя. Выходы первого и второго ПКН 9 и 10 подключены ко входам сумматора 1I, а его выход через интегратор 12 подключен к преобразователю 13 фаза-код. Первый и второй коммутаторы 9 и 10 аналогичны. Каждый коммутатор (фиг.2 содержит два электронных ключа 14 и 15, инвертор 16 и логический элемент НЕ 17,причем входы одного электронного ключа 14 являются входами коммутатора, а входы второго электронного ключа 15 соединены со входами коммутатора через инвертор 16 и элемент НЕ 17. Выходы электронных ключей 14 и 15 соединены между собой и являются выходом коммутатора. 5 Аналого-цифровой преобразователь работает следующим образом. На. входы преобразователя поступаю два аналоговых напряжеш1я U)( Ujy,sin (фиг. Зк) и и, О (фиг. 3), где в - преобразуемая аналоговая величина, и тактовые импульсы частоты F (фиг. за). Формирователь 2 управля ющих сигналов вырабатывает логически Зн. cos (фиг,3 сигналы Зн. sin sin (фиг. Зг), cos (фиг. за) и сигнал Установка (фиг. Зе), необ ходимые для управления работой перво го и второго коммутаторов 9 и 10 и первого и второго реверсивных счетчи ков ЗиЛ. Первый и второй коммутато ры 9 и 10 формируют напряжение « fe 3 н. sin (фиг. Зи ) если зн. cos Лог.1 -л . Ы если зн. cos Лбг.О ( фиг. ЗК). Сигнал Установка периодически устанавливает первый реверсивный счетчик 5 в состояние О, а второй ре версивный счетчик 6 в состояние, соответствующее 90 . Первый реверсивный счетчик 5 формирует код угла f (t) , изменяющийся по закону 90 - О - 90 и т.д. а второй реверсивный счетчик формиру ет код 4(1), изменяющийся по закону 4(t) + 90°. Первое и второе ПЗУ 5 и 6 по заданному на входе коду угла вырабатывают в двоичном коде значение функции S i пх для 0 х 90 . Та ким образом, па выходе первого ПЗУ 5 формируется код sinf(t) /s in2/tFt/ N а на выходе второго ПЗУ 6 - код sin4(t) cos(t) / cos2K-Ft/+Nl , где N - количество уровней квантования функции sinx. Первый и второчи ПКН 7 и 8, используя напряжение U и в качестве эта лонных, преобразуют входные коды в ступенчатые напряжения (фиг. 3 л,м, которые складываются в сумматоре 11. Напряжение на выходе сумматора можно представить в с ледующем виде ,U)-uJsiv,(Q.t-0) + 2rtit t NK-l«()Slt-©4NKn 4- - sin(4NK+| :2t-e4-NK+ J (фиг. Зм; З f 2itFt где 51 71.Г - круговая частота. 4N Выходное напряжение сумматора 1 1 поступает на интегратор 12, на выходе которого образуется синусоидальное напряжение II ) (фиг. Зо). С вы 12 хода интегратора 2 гармонический сигнал с фазой 9 поступает на преобразователь 13 фаза-код на другие выходы которого подаются опорный импульс с фазой О (фиг, Зп) и счет1Я 1е импульсы (фиг. Зр). С выхода преобразователя 13 фаза-код снимается цифровой отсчет величины -6 , Уровень квантования формируется двоичным кодом, позволяющим при незначительных аппаратурных затратах получить большое количество уровней квантования, что, в свою очередь, улучшает точность и быстродействие Преобразователя. Схема устройства построена таким образом, что позволяет применить серийно-выпускаемые ПЗУ в микросхемном исполнении типа 505РЕЗ (расшивки 0068-0071). Использова П1с данных ПЗУ позволяет получить N 2 уровней квантования с дискретностью каждого уровня 2 . При зтом сигнал на выходе сумматора, кроме основной гармоники, содержит высшие гармоники с номерами 4ЫК±1 : 4095, 4097, 8191, 8193 и т.д. - с амплитудами соответственно 1 1 1 I 8т у-« 4095 4097 8191 интегрирования -, Т . Таким образом, сигнал на выходе интегратора содержит не более 10 % высших гармоник, и поэтому при измерении фазового сдвига Q не требуется цифрового усреднения. В результате этого время преобразования в предлагаемом устройстве равно t. Т + Т„ 4 Для получения такого количества уровей квантования N , известное стройство должно иметь в каждом комутаторе 2М 2 электронных ключей, кгикдой весовой матрице N 2 спеиально подбираемых резисторов и таое же количество управляющих импульов должны формировать распределители актовых импульсов. Если известное устройство в каждом оммутаторе будет иметь по 16 электонных ключей ( в каждом ПКН предлагамого устройства электронных ключей акже 16), то N а сигнал на выходе интегратора содержит 1,25% высших гармоник с номерами 31, 33, 63 65 и т.д., поэтому требуется цифровое усреднение. Отсюда время преобразования в известном устройстве состав л нет Vi Ь Таким образом, при одинаковых аппаратурных затратах, быстродействие предлагаемого устройства в 5-10 раз вьше, чем у известного устройства. Повьшение точности преобразования достигается за счет того, что усреднение по 5-10 отсчетам в известном устройстве не позволяет полностью уст ранить погрешность, вызванную наличием нечетных высших гармоник в измеряемом сигнале. Кроме этого, интегратор с постоянной времени Тца будет иметь фазовый сдвиг If ( 10-15} , который при изменении температуры окружающей среды будет изменяться (вследствие нестабильности элементов интегратора , в результате чего его нельзя точно скорректировать. Б предлагаемом устройстве сигнал на выходе интегратора содержит 10 % высших гармоник. А интегратора с постоянной времени Т П1 4095 фазовый сдвиг (0,l-0,2) , незначительное изменение которого вследствие нестабильности элементов интегратора, очень мало, что и позволяет получить более высокую точность. Формула изобретения Аналого-цифровой преобразователь, содержащий шину тактовых импул сов, два коммутатора и последователь но включенные сумматор, интегратор и преобразователь фаза-код, отлич ющийся тем, что, с целью повышения точности и быстродействия, в него дополнительно введены формирова тель управлягацих сигналов, два ревер сивных счетчика, два постоянных запоминающих устройства и два преобразователя код-напряжение, причем вход формирователя управляющих сигналов подключен к шине тактовых импульсов, первый и второй выходы соответственно соединены с первыми входами первого и второго коммутаторов, а третий и четвертый выходы подключены к соответствующим входам первого и второго реверсивных счетчиков, счетные входы которых подключены к шине тактовых импульсов, а установочные входы - к пятому выходу формирователя управляющих сигналов, выходы первого и второго реверсивных счетчиков подключены, соответственно, ко входам первого и второго постоянных запоминающих устройств, выходы которых соответственно соединены с первыми входами первого и второго преобразователей код-напряжение, вторые входы которых соответственно подключены к выходам первого и второго коммутаторов,вторые входы которых соединены с соответствующими входами Преобразователя, выходы первого и второго преобразователей код-напряжение подключены к соответствующим входам сумматора. 2. Преобразователь по п. I, отличающийся тем, что каждый коммутатор выполнен на двух электронньис ключах, инверторе и логическом элементе НЕ, причем первый и второй входы первого электронного ключа подключены к соответствующим входам коммутатора непосредственно, а первый и второй входы второго электронного ключа - через инвертор и логический элемент НЕ, выходы электронных ключей подключены к выходу коммутатора. Источники информации, принятые во внимание при экспертизе 1.Авторское свидетельство СССР W 447826, кл. Н 03 К 13/02, 1974. 2.Авторское свидетельство СССР по заявке № 2695933/21, кл. Н 03 К 13/02, 14.12.78 (прототип).

Фиг 2