Аналого-цифровой преобразователь Советский патент 1982 года по МПК H03K13/20 

(54) АНАЛОГО-ЦИФРОВОЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ

.Изобретение относится к имп льсной технике и может быть использовано в устройствах связи первичных преобразователей физических параметров с цифровыми устройствами обработки автоматизированных систем управления. Известен аналого-цифровой преобразовате ль, содержащий генератор пилообразного напряжения, выход которого подключен к. первому входу компаратора, второй вход котфого через ключ подключен к первому и второму входам устройства, выход компаратора подключен к первому входу первого вентиля, второй вход которого подключен к выходу генератора импульсов, а третий вход подключен к выхос у команднрго устройства, имеющего механичес15ую связь с генаратором пилообразно .го нап-, ряжения, выход первого вентиля подключен к счетному входу счетчика импульсов, вход установки исходного состояния которого подключен ко второму выходу командного устройства, выходы разрядов счетчика импульсов являются выходами устройства, выход старшего разряда счетчика импульсов подключен к первому входу второго вентиля, второй вход которого подключен к третьему выходу командного устройства, выход второго вентиля подключен ко входу усилителя автоподстройки выход которого подключен ко входу генератора пилообразного напряжения и третьему входу устройства, четвертый выход командного устройства подключен Кб вхоцз триггера переключения режима работы, выход которого имеет механическую связЬС ключом Щ. Недостатком устройства явл51ется сложность создания генератфа пилообразного напряжения, обладающего высокой линейностью характеристики. Известен аналого-цифровой преобразователь, содержащий генератор линейно- изменяющегося напряжения, выход которого подключен к первым входам первого, вто- рого и третьего блоков сравнения напряжений, вторые входы которых подключены соответственно к первому, второму и тре392гьему вхоаам устройства, вькод первого блока сравнения напряжений череэ первый формирователь импульсов пооключен ко вхооу запись регистра памяти, выхоц второго блока сравнения напряжения через второй формирователь импульсов пооключен к первому входу триггера и входу сброс счетчика импульссвв, выход третьего блока сравнения напряжений через третий формирователь импульсов подключен ко второму входу триггера и входу устройства сравнения, выход триггера подключен к первому входу элемента И, второй вход которого подключен к выходу генератора измен5пощейся частоты, первый вход которого является четвертым входом устройства, а второй вход подключен к выходу устройства сравнения выход элемента И подключен к счетному входу счетчика импульсов, группа выходов которого подключена к группе входов устройства сравнения и группе входов регистра памяти, группа выходов которого является группой выходов устройства 2 . Недостатком устройства являются низкая точность преобразования и ограниченные функциональные возможности. Цель изобретения - повышение точнос 1 преобразования и расошрение функциональных возможностей устройства. Поставленная цель достигается тем, что в аналого-цифровой преобразователь, содержащий два блока сравнения напряжений, первые входы которых объединены, выход первого блока сравнения напря жений через первый формирователь импульсов подключен ко входу запись регистра памяти, выход второго блока сравнения напряжения через второй формирователь импульсов пооключен к первому входу триггера, суммирующий счетчик импульсов, разрядные выходы которого подключены к соответствующим входам регистра памяти, введены четьфе счетчи ка импульсов,блок-вычитания частот, дв дополнительных триггера, два ключа, кон денсатор, резистор, три элемента И, эле мент ИЛИ-НЕ, ждущий мультивибратор, два дополнительных форм1фователя импульсов, потенциометр, причем первый выход первого ключа через резистор подключен к первому выводу потенциометра, подвижный контакт которого подключен ко второму входу второго блока сравнения напряжений, первые вхооы первого и вто рого блоков сравнения напряжений подклю чены ко второму выхоцу первого ключа. 9 первому пыхооу второгг) кл7оча и nopiuifi обклаоке коппаюатора, втфая обклвпки которого, а также второй вмхоп второго ключа и второй вывод понтециометра соединен с обшей шиной устройства, второй вход триггера подключен к первым входам первого и второго дополнительных триггеров, к выходу первого дополнительного формирователя импульсов и выходу j c6poc суммирующего счетчика импульсов, выход которого подключен ко второму входу второго дополнительного -фиггера, первые выходы триггера и второго дополнительного триггера подкгаочены соответственно к первому и второму входам первого элемента И, выход которого подключён к первому входу элемента ИЛИНЕ, вторые выходы триггера и второго дополнительного триггера подключены соответственно к первому и второму входам второго элемента И и первым входам третьего и четвертого элементов И, выход второго элемента И подключен ко второму входу- элемента ИЛИ-НЕ, выход кото- рого подключен ко входу второго дополнительного формирователя импульсов и ко вторым входам третьего и четвертого элементов И, третьи входы которых обьецинены, а выходы подключены соответст- венно к суммирующему и .вычитающему входам первого счетчика импульсов, выхоа второго дополнительного формирователя импульсов подключен ко второму вхочу первого дополнительного триггера и входу ждущего мультивибратора, выход которого подключен Ко входу первого дополнительного формирователя импульсов, первый и второй выходы первого дополнительного триггера подключены соответственно ко входам первого и второго ключей, разрядные выходы первого счетчика импульсов подключены к соответствующим входам второго счетчикр импульсов,, а выход подключен к первому вхоцу блока вычитания частот и счетному входу третьего счетчика импульсов, выхой которого подключен к дчетному входу четчертого счетчика импульсов, группа входов когфого подключена к разрядным иыходам суммирующего счетчика импульсов, а выход подключен к второму входу блока вычитания частот, выход которого подключен к счетному входу cyMMHpjTjiiif;го счетчика импульсов. Структурная электрическая yt;rройства приведена на чертеже. Устройство содержит счетп ки 1-5 импульсов, регистр 6 памяти, блок 7 пьн59гшгания частот, триггеры 8, 9 и Ш с раздельным запуском, ключи II и 12, блоки 13 и 14 сравнения напрйжений, кшденсатор 15, элемент 16-19 И, элемент 20 ИЛИ-НЕ, ждущий мультивибратф 21, формирователи 22-25 импульсов, потенциометр 26, резистор 27. Аналоговый сигнал УЬл поступает на первый вход блока 13. На счетный вход счетчика 1 поступает псжледовательность имцульйс© эталонной частоты fo . На одии из входов элементов И 18 и 19 поступает последовательность импу льсов частоты fo . Принцип преобразования напряжения в код заключается в том, что устройство содержит два функциональных генератфа сигнала экспоненциальной формы: аналоговый, состоящий из конаенсатора 15, регастра 27, ключей 11 и 12 и цифрово состоящий из блока 7, счетчиков 2, 4 и 5 . Счетчики I, 4 и .5 явлйгются делителями частоты переменным коэффициенте деления, счетчик 2 работает на сложение счетчик 3 является реверсивным. Входной аналоговый сигнал Uftx сравнивается с на пряжением экспоненциальной формы. В момент их равенства считывается мгновенное значение выходного кода го генератора, пропорциональное значение входного .аналогового сигнала. Устройство работает следующим образом. Начало цикла преобразования определяет сигнал с выхода формирователя 25, который, поступая на первые входы триг геров 8-1О, устанавливает их в исходное состояние и осуществляет сброс счет чика 2. Единичные сигналы с первых выходов триггеров 9 и 10, через элементы 16 И, 2О ИЛИ-НЕ поступают на вторые входы элементов 18, 19 И, запрещая прохождение частоты f через них на входы счетчика 3.Единичный сигнал с Г первого выхода триггера 8 замыкает Ключ II, подключающий конденсатор 15 к источнику напряжения Ut,i OaHOBpevfeH- |io начинается заряд конценсатфа 15 через резистор 27 и набор информации в счетчике 2, начиная с нулевого значения. Во время заряда конденсатора налряжение на йем изменяется по закону u-Un() и unH-t- (I) t - текущее время} 7-Q - постоянная времени аналоге вого генератора (заряда ко аенсатора 15); 70 6 - основание натурального логарифма. Выходной код счетчика, 2 изменяется по закону N Мо(1-етц) - коц, к которому стремится цифровая экспонента; - постоянная времени цифрового генератора. Из вь)ажения (1) под5гчаем t -T«e( и поцсгавляем в вьфажени 11 Та (. Отсюаа при Та-Та, (5) получаем линей ную зависимость кооа в счетчике 2 от изменения напряжения на конаенсаторе tS: . Дэи иЬх и срабатьюает блок 13 и сигнал с его выхода через формироватепь производит запись кода из счетчика 2, 22 в регистр 6. В устройстве осуществляется отспежи- вание за изменением Та в установившемся режиме, которое может возникнуть нестабильности элементсмв. устройства, поя воздействием различных дестабилизирующих факторов. Конденсатор 15 пооключен К первым входам блоков 13 и 14, на вторые входы которых подаются соответственно входное преобразуемое напряжение ивх и пороговое напряжение Unop с потенциометра 26. Величина и пор определяется из выражения ( 1) при t Tq Unop --UO-)-0,65Un. j При достижении напр$окения на конденг :саторе 15 величины Lfnojpблока I4,cvtr нал с его выхода через формирователь 23 поступает на второй вход триггера 9. На счетный вход счетчика 2 поступает последовательность импульсоё с вьосода блока 7, на выходы которого поступают частоты f с выхода счетчика . 1 и ft с выхода счетчика 5. Код N в счетчике 2 в начале никла преобразования растет с определгпной . скоростью, зависящей отЧастоты f . По мере роста кода N за счёт цепи обратной связи, включающей счетчики 4 и 5, растет частота на вхоое блока 7 и уменьшается частота на вхопе счетчика 2: ff - г . При этом скорость роста/кода N падает. 792 Таким образом, подучается экспоненциальная харакгеристака цифрового генераторас 1 гпв ij - код на группе выходов счегч1г ка 3, подключенных к группе входов счетчика 1; Гц . число , счетчика i« f - Рь- , г- 2.5 (9 гае у « код на группе вькодов счетчика 2, подключенных к rpytiпе входов счетчика 5; « число разрядов счетчика 5. (10) где К - постоянный коэффициент, установленный в счетчике 4 и aa-i даканий требуемую частоту f5 ; Пц- число разрядов счетчика 4. Из выражения (2) , N MoO-|y0. ; 4) выбрав обьем счетчика 2 O,63Jio , где nj - число разрядов счетчяка 2, «о-Б« Г иравнш В1фаже1аия (13) и (15), подучаем . К 0,63 Если объемы всех счетчиков принять одинаковыми, то К 0,632 Поду-чим выражение цля постоянной времени цифрового генератора. В 11ачальный момент времени шткла преобразования сброса код в счетчике 2 О, поэтому частота на вькоое счетчика 5, как видао из выражения ( 11 г.1. 9.,W Скорость нарастания кс-ца в счеггшке 2 при t 0 равна частоте f д . Из выражения (2) М . -Tu, Приравнивая выражения (8) и (17) и подставляя No из формулы (13), нахо. дим: 7.. . VCTF- Сигнал переноса счетчика 2 поступает на второй вход триггера 10. Устройство после включения питания изменяет Тц, таким образом, чтобы выполнялось равенство . Предположим, что Ти, оказалось меньше Та , Как видно из формулы (18), чтобы увеличить Тц при постоянных объемах счетчиков, выбранных частоте о и коэффициенте К, нацо уменыхтть код L в счетчике 3. .,„т Действительно, в схеме при i ц la сигнал переноса на выходе счетчика 2 возникает раньше, чем на выходе блока 14. Это 1ФИВОДИТ к опрокидыванию триггера 10, триггеры 9 и 10 оказываются в противоположных-состояниях, и на выходе элемента 20 ИЛИ-НЁ появится логическая , открывакщая по вторым входам элементы 18 и 19 И. На третий вхоД элемента 19 И поступает логическая 1 со второго выхода, триггера 10, трэтому последовательность импульсов с частотой Го , поступающая на первые входы элё;ментов 18 и 19 И, проходит через эле|мент 19 И на вход вычитания реверсивного счетчика 3, а через элемент 18 И ;Не проходит, так Как он закрыт по третьему входу. Частотой РО вычитается часть содержимого счетчика 3 в течение времени, равного разности Tti-Тц. При дост1 жении напряжением U на конденсатфе значения и пор( момент срабнеиия соответствует времени То ) срабатывает блок 14 и сигнал с его выхода, пройдя через формирователь 23, опрокинет триггер 9, на выходе элемента 2О ИЛИ-НЕ появится логический О, который запретит прохождение частоты fo на вход счетчика 3. В этот момент времени, т.е. по зацанному фронту импульса, возникающего пя выходе элемент 2О ИЛИ-НЕ, формтфовате/юм импульсов 24 формируется сигнг л, опрокидывающий триггер 8. При этом 992 лотческий О с первого выхоцп григгера 8, поступая на вхоа ключа 11 размыкает ее, а логическая со в.горого выхода триггера 8, пост у та я навход к/гючн 12, замыкает её. UpratcxooHT разряд конденсатора 15 через ключ 12. С выхода формирователя импульсов 24 сигнал поступает также на вход жцушего мультивибратора 21, который выбрасывает импульс,, длительность которого выбирают таким обрадом, чтобы за - это время произошел полный разряд кон денсатора. По заднему 45)онту этого импульса формирователем импульсов 25 формируется сигнал начала цикла. Описанный цикл автоматически повторяется. К й.о.чо.пу нового цикла преобразования значение кода в счетчике 3 уменьшаегся, соответственно уменьшается частота f согласно формуле (8)., Набор информации в счетчике 2 происходит с меньшей частотой, сигнал переноса на его выкоде возникает позже, чем в предыдущем цикле, т.е. Тц, возрйста-; :ег..- . Если станет Тц Та , т.е. сравнение ;напряжения на конденсаторе 15 с пороговым напряжением, установленным потенциометром 26 и ипо произойдет раньше, чем заполнение счетчика 2, то сигнал сВьссо; да блока 14 черев формирователь 23 по- ступает на второй вход триггера 9 раньше, чем сигнал переноса с выхода счетчика 2 на второй вход триггера Ю. На промежуток времени, равный разности Т -Та , открывается элемент 18 И для прохождения частоты о на суммирующий вход реверсивного счетчика 3, увеличивая его содержимое к следукщему цикду преобразования. Отработка такого состояния устройства, при KOTOpoKf Tu, Tq , происходит в первые несколько циклов после ее включения. Затем устройство поддерживает это равенство, отслеживая изменения Та вызванные, например, изменением величины емкости конденсатора 15 при изменении температуры. Во время описанного цикла происходит сравнение входного напряжения U fix с напряжением на конденсаторе 15. В момент времени, когда , срабатывает блок 13. Сигнал с выхода через формирователь 22 производит запись коца, полученного к данному моменту времени в счетчике 2, в регистр 6. Код в регист- ре 6 5тляется выходным кодом устройства, соответствующим входному аналогово- му сигналу.. 910 Таким образом, использование приноипа отслеживания за равенством постоянньк времени аналогового и ioi44poBoi o генератора позволяет повысить точность преобразования. Данная схема преобразователя имеет широкие функциональные возможности.Она позволяет осуществить нелинейное преобразование входного аналогового сигнала в код в соответствии с формулой . „ ц г /i U M-No . Г|„/ J где - - - может как больше 1, так и меньше I. В этом сдучае преобразователь работает точно так же, как описано выше, только устройство отслеживает вместо То Ти, за равенством TU, Величина порогового напряжения, устанавливаемого на втором входе блока 14, определяегся из вь(1ажения Unop - ОпО-рь);(20) Кроме того, можно подучить преобравование аналогового сигнала в код по логарифмическому закону. Для этого необходимо отключить частоту г. от входа блока 7 вычитания частот 7, Тогда код в .счетчике 2 изменяется по линейному аа- кону N 1 ;t (21) (Цифровой функциональный генератор сигнала экспоненциаль- ной формы превращается в генератф сипнала, изменяющегося по линейному закоПодставив в выражение (21) значение t и f-i из формул (I) и (22), под5чяе11Л , „ ( Л ,.2..J. tn ( -Ц,)(23) Tu, Jn J - ип Изменяя выбчром величины порогового напряжения Unop можно изменятьмасштаб преобраэователя. формула ивобретения. Аналого-Ш14) гчэеобразователь,содфжаший ова блока Сравнения напряжений, первые входы котфых объединены, выход первого блока сравнения напряжений через первый формирователь импульсов подгключен к входу запись регистра памяти, выход второго блока сравнения напряжения через второй формирователь импульсов подключен к первому входу триггера, суммируюишй счетчик импульсов, разрядные выходы ксторогч подключены к соответст1192вующим входам регистра памяти, о т ли чающийся тем, что, с целью повышения точности преобразования и расширения функциональных возможностей устройства, в него введены четыре счетчика импульсов, блок вычитания частот, два дополнительных триггера, два ключа, конденсатор, резистор, три элемента И, влеменг ИЛИ-НЕ, ждущий мультивибратор, ава дополнительных формирователя импупьсов, потенциометр, причем первый выход первого ключа через резистор подключен к первому выводу потенциометра, подвижный контакт которого подключен к второму входу второго блока сравнения напряжений, первые входы- первого и второго блоков сравнения напряжений подключены к второму выходу первого ключа, первому выходу второго ключа и первой обкладке Конденсатора, вторая обкладка которого, а также втсрой выход второго ключа и второй вывод потенциометра соедннены с общей щиной, второй вход трипГера подключен к первьп входам первого и второго дополнительных триггеров, к, выходу первого дополнительного формировагеля импульсов и выходу сброс суммирующего счетчика иМ ульссж, выход которого подключен к второму входу ВТОрого дополнительного триггера, первые выходы триггера и второго дополнительнего триггера подключены соответственно к первому и втфому входам первого элемента И, выход которого подключен к первому входу элемента ИЛИ-НЕ, вторые выходы триггера и втсфого дополнитель,ного триггера подключены соответственно к первому и вт(ому входам второго элэмента И и первым входам третьего и четвертопу элементов И., выход второго элемента И подключен к второму входу эле912мента ИЛИ-НЕ, выход которого подкпЮ Чен К входу второго аополиигельного формирователя импульсов и к вторым вхопам третьего и четвертого элементов И, третьи входы которых обьединены, а выходы подключены соответственно к суммирующему и вычитающему входам первого счетчика импульсов, выхоа второго нительного формиршателя импульсов под-, ключен к второму вхогцу первого дополнительного триггера и входу ждущего мультивибратора, выход которого подключен к soioay первого дополнительного формирователя импульсов, первый и второй выходы первого дополнительного триггера подключены соответственно к входам первого и втфого ключей, разрядные выходы первого счетчика импульсов подключены к соответствующим входам второго счетчика импульссш, а выход ПОДКЛЮЧЕН/ к первому входу блока вычитания частот и счетному входу третьего счетчика импульсов, выход которого подключен к счетному входу четвертого счетчика импульсов, группа входов которого подключвна к разрядным выходам суммирующего счетчика импульсов, а выход подклюxjeH Ко второму вхоиу блока вычитания частот, выход которого подключен к счетцому входу суммирующего счетчика импульсов, Источники информации, принятые во внимание при экспертизе I. ftnqto uc -to-oti|ita con ftrtes reach I ne-w eo&g of accwraty-„Des, Encl() 1975 ,36ne, 10(англ) , 2. Патент Великобритании № 1345775, МКИ G 4 H за 1970 (прототип).