Способ аналого-цифрового преобразования и устройство для его осуществления Советский патент 1982 года по МПК H03K13/20 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в системах автоматического из мерения, а также в качестве автономного прибора с автоматической цифровой коррекцией аддитивной и мультиплекативной погрешностей преобразования аналоговой величины в цифровой код. Известен способ аналого-цифрового преобразования и аналого-цифровой преобразователь для его реализации. Способ основан на формировании временных интервалов, пропорциональных сумме измеряемого напряжения и эталонного напряжения U.j, U и величине Uj(, умноженной на коэффициент пре образования ( RTF Д® R и PS зисторы делителя напряжения заполнение этих временных интервалов импуль сами эталднной частоты, количество которых равно соответственно К, N,j и Na и формировании кодов, соответствующих разности Ni -4V-j и , по величине, пропорциональной отношению этих разностей судят о величине измеряемого напряжения. Устройство для осуществления данного способа содержит источник измеряемого напряжения, источник эталонного напряжения, делитель напряжения, блок управления, ключи, усилитель , генератор пилообразного напряжения, нуль-орган, генератор заполняющих импульсов и три счетчика. Преимущество способа и устройства заключается в том, что точность измерения определяется стабильностью одного источника эталонного напряжения D. Однако для исключения влияния на точность измерения нестабильности резисторов R и R проводят дополнительно четвертое измерение. Таким образом, недостатком предлагаемого способа и устройства является низкое быстродействие. 393 Известен аналого-цифровой преобразователь с цифровой коррекцией погрешностей. Известный способ основан на преобразовании в частоту следования импульсов измеряемого и двух эталонных напряжений с подсчетом импульсов частот за эталонное время. Время измерения по,известному способу формируют суммированием временных интервалов, обратно пропорциональных коду разности количеств импульсов частот, пропорциональных первому и второму эталонным напряжениям, причем временные интервалы формируют по каждому импульсу частоты, пропорциональной измеряемому напряжению с момента, когда количество импульсов этой частоты станет равно коду частоты, пропорциональной первому эталонному напряжению. Устройство для осуществления известного способа содержит преобразова тель напряжения-частота, вход которого через аналоговые ключи соединен с выходами источников двух эталонных и измеряемого напряжений, а выход - соединен с первыми входами первого, вто рого и третьего элементов И, при этом вход сдвигающего регистра через де- литель соединен с выходом генератора, а три его выхода-соединены с управляющими входами аналоговых ключей первого второго и третьего элементов И,а выходы первого счетчика соединены с выходами первого и второго элементов И вход же второго счетчика соединеЯ с выходом первого элемента И, а выход - соедине с выходом первого триггера, причем входы четвертого элемента И соединены с выходами третьего элемента И и первого триггера, вход первого двоичного умножителя соединен с выходом первого счетчика, а выход соединен с входом второго триггера, входы пятого элемен та И соединены с выходами второго триггера и генератора, а выходсоединен с входом третьего счетчика, входы второго триггера соединены с выходами четвертого элемента И и двоичного умножителя, другой вход которого соединен с выходо 51 третьего счетчика, а выход первого триггера соединен с вторым входом четвертого элемента Недостатками известных способа и устройства является невысокая точность измерения, так как погрешность .результата зависит от нестабильности и первого и второго эталонных источников. Кроме того, эталонные источники должны иметь точную регулировку сохранения постоянного масштаба преобразования. А это не только усложняет конструкцию источника, , но и снижает стабильность эталонного напряжения, а следовательно, и точность измерения. Цель изобретения - повышение точности без снижения быстродействия. Поставленная цель достигается тем, что согласно способу аналого-цифрового преобразования, основанному на преобразовании в частоту следования импульсов Первого эталонного напряжения и подсчете импульсов частот за эталонное время, преобразуют в частоту следования импульсов сумму первого и второго эталонных напряжений, затем сумму первого эталонного и измеряемого напряжений, а время измерения формируют суммированием временных интервалов, обратно пропорциональ,ных коду разности количеств импульсов частот, пропорциональных сумме двух эталонных и первому эталонному напряжений, причем временные интервалы формируют по каждому импульсу частоты, пропорциональной сумме первого эталонного измеряемого напряжений, начиная с момента равенства количества импульсов этой частоты, коду частоты пропорциональной первому эталонному напряжению. Устройство для осуществления способа, содержащее преобразователь напряжение-частота, вход которого через первый, второй и третий переключатели соединен соответственно с выходами первого и второго эталонных и Я змеряемого источников напряжений, а выход соединен с первыми входами первого, второго и третьего элементов И, вторые входы которых соединены с управляющими входами переключателей и с соответствующими выходами сдвигающего регистра, вход которого через делитель соединен с выходом генератора и с первым входом четвертого элемента И, второй вход которого соединен с единичным выходом первого триггера, нулевой вход которого соединен с выходом первого двоичного умножителя, первый и второй входы которого соединены соответственно с выходами первого и второго счетчиков, вычитающий и суммирующий входы по59следнего соединены соответственно с выходами первого и второго элементов И, а нулевой выход второго триггера соединен с первым входом пятого элемента И, введены третий и четвертый счетчики, второй двоичный умножитель регистр установки, шестой элемент И и элемент ИЛИ, первый вход которого соединен через пятый элемент И с выходом третьего элемента И и единичным входом первого триггера, второй вход соединен с выходом шестого эле мента И и через последовательно соеединенный третий счетчик, второй двоичный умножитель - с входом четвертого счетчика, а выход соединен с суммирующим входом второго счетчика, вычитающий вход которого соединен с вы ходом первого элемента И, а вы){од переноса - с единичным входом второго триггера, единичный выход которого соединен с первым входом шестого элемента И, второй вход которого соединен с выходом четвертого элемента И, при этом выход регистра установки подключен к потенциальным входам второго двоичного умножителя, а входы ис точников второго эталонного и измеряемого напряжений подключены к выходу первого переключателя. Измерение по предлагаемому способу позволяет исключить не только аддитив ную и мультипликативную погрешность преобразования, но и погрешность, вызываемую отклонением напряжения перво го эталонного источника от номинального значения. Результат измерения получают в момент окончания третьего такта, т. е. практически предлагаемый способ обеспечивает максимально возможное быстродействир для измерения напряжений интегрированием, т. е. подсчетом импульсов частот за эталонное время, что значительно сокращает случайную составляющую ошибку.

На чертеже показана функциональная схема предлагаемого устройства.

Устройство содержит источники 1 и 2 эталонных напряжений, источник 3 из меряемого напряжения, переключатели -6, сдвигающий регистр 7, генератор 8, делитель 9, преобразователь 10 напряжение-частота, элементы И 11-16, элемент ИЛИ 17, триггеры 18 и 19 счетчики 20-23, регистр установки 2, двоичные умножители 25 и 26.

Отсюда

(F,-F,) U(F -:FJ; (7)

согласно способу, измеряемое напряреобразование осуществляется ующим образом. а первый такт (первое эталонное я) получают F. + kU, F. код частоты, соответствующий подключению первого эталонного источника, измеренной за эталонное время; начальная частота; коэффициент, характеризующий крутизну преобразования;напряжение первого эталонного источника. начения FQ и k все три такта измея при достаточно малой длительи такта (эталонное время) пракски не изменяются. Второй и третакты измерения по длительности ы первому такту. Каждый такт ся эталонное время ).(2) FO - k(U, оэтому +Uo). СЗ) о F - код частоты,.соответствующий подключению последовательно включенных первого и второго эталонных источников напряжения (измерение на втором т&кте); - код частоты, соответствующий подключению последовательно включенных измеряемому и первому эталонному на пряжениям (измерение на третьем такте) формул (2) и (1) следует жение должно быть пропорц времени измерения, т, е. где е const - коэффицие циональности. Обозначим Fj - F N При этом отметим, что рэльное число, Разобъем время измерени ных интервалов Т N Поставим вырежёнкя (8) в формулу (7) e-N &t ( F) U e(Fi)-F7I. Так как Uy const и e const то, из выражения (11) следует, что временные интервалы ut, суммированием которых образуется время измерения, обратно пропорциональны коду разности количеств импульсов частот, пропо циональных сумме двух эталонных и первому эталонному напряжению. Таким образом, по предлагаемому способу резупьтат измерения можно по лучить к моменту окончания третьего такта. Для этого достаточно выбрать величину коэффициента пропорциональности такой, чтобы временной интерва t, сформированный по импульсу соответстаугощей частоты, заканчивался до поступления следующего импульса этой частоты. Результат измерения по пред лагаемому способу не зависит от знач ния Напряжения первого эталонного ис точника, достаточно, чтобы это значе ние было постоянным все три такта из мерения. Это позволяет не только повысить точность измерения, но и упростить устройство, работающее по предлагаемому способу.Устройство работает следующим образом. По команде Начальная установка (шины не показаны) триггер 19 уста98навливается в О, подавая запрет на элемент И 15 и разрешение на элемент И 1. В первую ячейку регистра 7 записывается 1, в остальных двух ячейках этого регистра записывается О. Счетчики 20-23 устанавливаются в состояние О. В регистр 2k устанавливается число, пропорциональное зна-ч чению и , причем коэффициент пропорциональности для напряжения Unvравен коэффициенту пропорциональности для напряжения Uy и пропорционального ему числа в счетчике 23. Снятие команды Начальная установка является моментом начала измерения. Так как на переключатель 4 с первой ячейки сдвигающего регистра 7 подан сигнал 1, а на переключатели 5 и 6 с выходов второй и третьей ячейки регистра 7 поданы сигналы О, то переключатели 5 и 6 отсоединяют источники 2 и 3 от входа преобразователя напряжение - частота 10, а переключатель 4 соединяет выход источника 1 с входом преобразователя 10. Частота на выходе преобразователя FO k- где F. начальная частота преобразователя tO; k - крутизна характеристики преобразователя 10. Эта частота через элемент И 11 поступает на вычитающие входы счетчиков 20 и 21. В течение первого такта измерения, длительность которого определяется коэффициентом деления делителя 9- При переполнении этого делителя с его выхода поступает импульс на -тактирующий вход сдвигающего регистра 7. 1 из первого его разряда сдвигается в второй разряд (в первом разряде остается О), начинается второй такт измерения. Переключатель 4 подключает выход источника 1 к входам источников 2 и 3, переключатель 5 подключает вход источника 2 к входу преобразователя 10. Частота на выходе преобразователя 10 (Uv,+ Ue), FZ FC так как источники 1 и 2 оказались включенными последовательно. Эта частота F поступает с выхода преобразователя 10 через элемент И 12 на суммирующий вход счетчика 20 в тече ние второго такта, который заканчива ется по импульсу с выхода делителя 9 поступающему на тактирующий вход сдвигающего регистра 7, поэтому 1 из его второго разряда сдвигается в третий разряд. Это момент начала третьего такта измерения. Переключатель 5 отключает выход источника 2 от входа преобразователя 10, а переключатель 6 подключает источник 3 измеряемого напряжения к входу преобразователя 10. Частота на выходе преобразователя 10 + k(Uo-H), пг,) так как источники 1 и 3 включены последовательно. Это частота поступа ет через элемент И 13 на вход элемен та И 1А и на вход установки в 1 триггера 18 в течение третьего такта измерения, до поступления импульса переполнения с выхода делителя 9 на сдвигающий вход регистра 7. Обозначим длительность каждого такта через Т const. Тогда число импульсов с выхода преобразователя 10 за первый, второй третий такт равны соответственно 8 счетчике 20 записано число NZO ,.. В счетчик 21 на первом такте пост пает N импульсов, на вычитающий вход На третьем такте по каждому импульсу с выхода элемента И 13 триггер 18 устанавливается в состояние 1, разрешая прохождение импульсов с генера тора 8 через элемент И 16, на вход элемента И 15. На другом входе элемен та И 15с начала третьего такта сигнал запрета, так как-триггер 19 по начальной установке находится в состоянии О. В начале третьего такта как уже указывалось выше, импульсы с выхода преобразователя 10 через элемент И 13 поступают на вход элемента И 1, на другом входе элемента И 1 разрешение с инверсного плеча триггера 19- Импульсы с выхода элемента . И k через элемент ИЛИ 17 поступают на суммирующий вход счетчика 21. Как только количество этих импульсов станет равно N 1 (именно столько импульсов поступило на вычитающий вход счетчика 21 на первом такте) сигнал обнуления с выхода счетчика 2Г поступает на вход триггера 19f устанавливая триггер 19 в состояние 1. С инверсного плеча этого триггера на вход элемента И 1 поступает теперь сигнал запрета, тем самым прекращается поступление импульсов на суммирующий вход счетчика 21 с выхода элемента И I, а навход элемента И 15 поступает сигнал разрешения, и. импульсы с выхбда генератора В через элементы И 16, И 15 элемента ИЛИ 17 поступаj6t на суммирующий вход счетчика 21, Который в рассматриваемый момент (установки триггера 19 в 1) обнулен. Так как выходы счетчика 21 соединены с входами двоичного умножите л« 25, то заполнение импульсами генератора счетчика 21 вызывает появление импульса на выходе двоичного умножителя 25. Этот, импульс установит триггер 18 в состояние О, тем самым запрещается прохождение импульсов гене|эатора через элемент 1б, соответственно с выхода элемента И 15 На вход счетчика 22 поступление импульсов прекращается. При поступлении следующего импульса с выхода элемента 13 триггер 18 вновь устанавливается в 1, импульсы генератора 8 проходят через элементы И 16, И 15, ИЛИ 17, на суммирующий вход счетчика 21 - до появления импульса на выходе двоичного умножителя 25, устанавливающего триггер 18 в О. Процесс повторяется по каждому импульсу с выхода преобразователя 10. Определим длительность временного интервала, в течение которого триггера 18 находятся в состоянии О. При заполнении счетчика 21 частотой генератора 8 (обозначим ее Fg, причем Hg const), частота на выходе двоичного умножителя 25 где Е - емкость счетчиков 20 и 21. 05) (16) поУчитывая выражеки;лумим ()(1 F - F- Длительность пребывания триггера 18 в .состоянии 1 t J- Е 1 (19) Таким образом, временной интервал формируемый триггером 18 обратно про порционален коду разности количеств импульсов частот,пропорциональных сум ме двух эталонных и первому эталонному напряжению. Эти временные интервалы формируются по каждому импульсу час тоты Fj, пропорциональной сумме пер вого эталонного и измеряемого напря жений с момента, когда количество импульсов этой частоты станет равно N., т, е. коду час-тоты пропорционал ной первому эталонному напря)«ению, В течение каждого интервала tjg на вход счетчика 22 с выхода элемен та И 15 поступают импульсы с частотой FO Пусть в регистре 2 устано лено по начальной установке некоторое число N24- Тогда число в счетчи ке результата 23 Г --рГ- 20) Число в счетчике 22 получается суммированием временных и|нтервалов t.. т. e.Mai--F8 s - (4:ie)Hr v tFx-Ft . tieNa4 . тогда N Если выполнить счетчики 20-22, одинаковой емкости Е, то подставляя в формулу (21) значение t ,g из выражения (19), получаем г-Уу f 1-Л v, 11 - У-. Fe-Tb-fJvraA. Е - VFa.-F ).. .. blbu. Т т , Подставив в это выражение значения формул (12), (13), (1) получаем аг и Таким образом, в счетчике 23 зафиксировано число прямопропор9цйональное измеряемому напряжению. Следует обратить внимание на коэффициент пропорциональности выражения (22), в котором Uyy, const, а значениеН А можно устанавливать произвольно. Это дает возможность изменять коэффициент пропорциональности между числом в счетчике результата и измеряемым напряжением только установкой соответствующего значения N. Таким образом, результат не зависит от погрешности установки первого эталонного источника, т. е. достаточно, чтобы три такта измерения напряжения этого источника было постоянным. Кроме того, источник второго эталонного напряжения U-, можно выполнять без тонкой регулировки, например, в виде цепочки последовательно включенных стабилитронов, а точность соотношения (22) обеспечить подбором коэффициента N24- Это не только позволяет сделать напряжение второго эталонного источника более стабильным, но и значительно упрощает изготовление и эксплуатацию устройства. Формула изобретения 1.Способ аналого-цифрового преобразования, основанный на преобразовании в частоту следования импульсов первого эталонного напряжения и подсчета импульсов частот за эталонное время, отличающийся тем, что, с целью повышения точности, после преобразования в частоту следования импульсов первого эталонного напряжения преобразуют в частоту следования импульсов сумму первого и второго эталонных напряжений, затем сумму первого эталонного и измеряемого напряжений, а время измерения формируют суммированием временных интервалов , обратно пропорциональных коду разности количеств импульсов частот, пропорциональных сумме двух эталонных и первому эталонному напряжений, причем временные интервалы формируют по каждому импульсу частоты, пропорциональной сумме первого эталонного измеряемого напряжений, начиная с момента равенства количества импульсов этой частоты коду частоты, пропорциональной первому эталонному напряжению. 2.Устройство для осуществления способа по п. 1, содержащее преобразователь напряжение-частота, вход которого через первый, второй и третий переключатели соединен соответственно с выходами первого и второго эталонных и измеряемого источников напряжений, а выход соединен с первыми входами первого, второго и третьего элементов И, вторые входы которых соединены с управляющими входами переключателей и с соответствующими выходами сдвигающего регистра, вход которого через делитель соединен с выходом генератора и с первым входом четвертого элемента И, второй вход которого соединен с единичным выходом первого триггера, нулевой вход которого соединен с выходом первого двоичного умножителя, первый и второй входы которого соединены соответственно с выходами первого и второго счетчиков, вычитающий и суммирующий входы последнего соединены соответственно с выходами перЁого и второго элементов И, а нулевой выход второго триггера соединен с первым входом пя того элемента И, отличающееся тем, что в него введены третий и четвертый счетчики, второй двоичный умножитель, регистр установки, шестой элемент И и элемент ИЛИ, 9 9И первый вход которого соединен через пятый элемент И с выходом третьего элемента И и единичным входом первого триггера, второй вход соединён с выходом шестого элемента И и через последовательно соединенный третий счетчик, второй двоичный умножитель с входом четвертого счетчика, в выход соединен с суммирующим входом второго счетчика, вычитающий вход которого соединен с выходом первого элемента И, а выход переноса - с единичным входом второго триггера, единичный выход которого соединен с первым входом шестого элемента И, второй вход которого соединен с выходом четвертого элемента И, при этом выход регистра установки подключен к потенциальным входам второго двоичного умножителя, а входы источников второго эталонного и измеряемого напряжений подключены к выходу первого переключателя. Источники информации, принятые во внимание при экспертизе 1.Бромберг Э. И. и др. Тестовые методы повышения точности измерений. М., Энергия, 1978, с. 121-125. 2.Авторское свидетельство СССР № 78837, кл. Н 03 1 13/20, 07.07-78.