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 измерения, а также в качестве автономного измерительного прибора с автоматической цифровой коррекцией аддитивной и мультипликативной пог-. решностей аналоговой величины в цифровой код.

Известен способ аналого-цифрового преобразования, основанный на подключении первого эталонного напряжения к преобразователю напряжениечастота, формировании номинального времени измерения путем подсчета импульсов эталонной частоты, равного номинальному значению множителя калибровки, с одновременным подсчетом импульсов частоты, пропорциональной первому эталонному напряжению за сформированное время, подключении второго эталонного напряжения к преобразователю напряжение-частота, подсчете количества импульсов частоты, пропорциональной второму эталонному напряжению, до значения, равного разности номинального значения, соответствующего максимальному входному напряжению, и подсчитанного ранее количества импульсов, с одно- .

временным подсчетом количества импульсов эталонной частоты, формированием нового значения множителя калибровки, сравнением значений полученного и номинального множителей калибровки, повторением вышеуказанных операций в случае, если результат сравнения больше заданного, формировании множителя смещения нуля пу10тем подсчета импульсов частоты, пропорциональной первому эталонному напряжению за время измерения, равное времени подсчета количества импульсов эталонной частоты, равного

15 значению множителя калибровки в случае, если результат сравнения меньше или равен заданному, последующем подключении измеряемого напряжения к преобразователю напряжение-частота,

20 о величине которого судят по разности количества импульсов частоты, пропорциональной измеряемому напряжению за время измерения, и множителя смещения нуля.

25

Известно устройство для осуществления способа, которое содержит источники измеряемого и двух эталонных напряжений, преобразователь напряжение-частота, аналоговые переклю30чатели, блок управления, элементы И, реверсивные счетчики и генератор эталонной частоты 1. Недостатком известных способа и устройства, его реализующего, является низкое быстродействие операции измерения, обусловленное тем, что в зависимости от ухода характеристик промежуточного преобразователя напряжение-частота осуществляетс несколько итеративных тактов калибровки/ в результате которых формируются значения начальной установки и времени измерения. Наиболее близкими к предлагаемым являются способ аналого-цифрового преобразования с цифровой коррекцией погрешностей и устройство, реали зующее способ. & Способ аналого-цифрового преобразо вания основан на преобразовании на так калибровки в частоту следования импульсов двух эталонных напряжений и определений соответственно кода, пропорционального разности количеств импульсов частот, пропорциональных эталонны / напряжениям, подсчитанным за постоянное время, преобразовании на такте измерения в частоту следования импульсов измеряемого напряжения, запоминании на такте Калибровки после преобразования в час тоту следования импульсов двух эта лонных напряжений количества импуль сов частоты, пропорциональной одному из эталонных напряжений, подсчитанных за постоянное время, а определе ние выходного кода на такте измерёния осуществляют путем подсчета за время измерения разности количес импульсов частот, пропорциональных измеряемому напряжению и запомненно му эталонному напряжению, Устройство для осуществления спо соба содержит преобразователь напря жение-частота, вход которого через аналоговые переключатели соединен с выходами источников двух эталонных и измеряемого напряжений, блок управления, три выхода которого сое динены с управляющими входами анало говых переключателей, выход преобра зователя напряжение- частота соединен с первыми входами первого, второго и третьегоkэлементов И, другие входы второго и третьего элементов И соединены с первым и вторым выходами блока управления, генератор импульсов постоянной частоты, выход которого соединен с одним входом четвертого элемента И, выход которого соединен с входом второго счет чика, выход первого элементу И соединен с суммирующим входом второго счетчика, выходы второго и третьего элементов И соединены с вычитающим и суммирующим входами третьего счет чика, выходы первого и третьего счетчиков соединены с входами двоич ного умножителя, выход которого через четвертый счетчик соединен с первым входом блока управления, пятый счетчик, вход которого соединен с выходом второго элемента И, и второй двоичный умножитель, входы которого соединены с выходами первого и пятого счетчиков, а выход соединен с вычитающим входом второго счетчика, третий вход блока управления соединен с другими входами первого и четвертого элементов И, а выход генератора импульсов постоянной частоты соединен с вторым входом блока управления С21. Недостат1 ом известных, способа и устройства, его реализующего, является низкое быстродействие, обусловленное тем, что общее время преобразования равно длительности трех тактов преобразования и выбирается исходя из заданной погрещности аналого-цифрового преобразования и минимa iьнoй частоты на выходе преобразователя напряжение-частота. Кроме того, низкое -быстродействие способа и устройства при измерении быстроменяющихся процессов приводит к появлению значительной динамической погрешности в процессе измерения, так как за вре1у1я аналого-цифрового преобразования измеряемое напряжение может измениться. Цель изобретения - повышение быстродействия и уменьшение динамической погрешности преобразования. Поставленная цель достигается тем, что в способе аналого-цифрового, преобразования, основанном на линейном преобразовании двух эталонных и измеряемого напряжений в частоту следования импульсов, введены операции формирования заданного количества периодов частот, пропорциональных двум эталонным и измеряемому напряжениям, подсчета разности количеств импульсов постоянной частоты за заданное количество периодов частот, пропорциональных первому эталонному и измеряемому напряжениям, формирования первой частоты, пропорциональной произведению указанной разности на количество импульсов постоянной частоты за заданное количество периодов частоты, пропорциональной второму эталонному напряжению, подсчета разности количеств импульсов постоянной частоты за заданное количество периодов частот, пропорциональных,первому и второму эталонным напряжениям, формирования второй частоты, пропорциональной произведению второй разг ности на количество импульсов постоянной частоты за заданное количество периодов частоты, пропорциональной измеряемому напряжению, и

деления первой и второй сформированных частот, а в устройство для осуществления способа, содержащее ис-ч точники двух эталонных и измеряемого напряжений, соединенные через первый второй и третий аналоговые ключи с аходом преобразователя напряжениечастота, блок управления, три первых .выхода которого соединены со вто рыми входами аналоговых ключей и первыми входами первого, второго и третьего элементов И, причем выход первого элемента И соединен с суммирующим входом первого счетчика выход второго элемента И соединен с суммирующим входом второго счетчика, выход третьего элемента И соединен с суммирующим входом третьего счетчика, четвертый счетчик, пятый счетчик, выход которого сЬединен с входом блока управления, генератор импульсов постоянной частоты, выход которого соединен с вторым входом третьего элемента И, первый двоичный умножитель, управляющие входы которого соединены с выходами п-ервого счетчика, второй двоичный умножитель, управляющие входы которого соединены с выходами третьего счетчика, четвертый элемент И, введены третий двоичный умножитель, управляющие входы которого соединены с выходами второго счетчика, а счетный вход - с выходом первого двоичного умножителя, четвертый двоичный умножитель, управляющие входы которого соединены с выходами четвертого счетчикаi а счетный вход - с выходом второго двоичного умножителя, пятый элемент И, один вход которого схэединен с выходом четвертого двоичного умножителя, а выход - с входом пятого счетчика, причем выход генератора импульсов постоянной частоты соединен с вторыми входами первого и второго элементов И и первого и второго двоичных умножителей, суммирующий и вычитающий входы четвертого счетчика соединены с выходами первого и второго элементов И соответственно, четвертый выход блока управления соединен с вторыми выходами четвертого и пятого элементов И, первый вход четвертого элемента И соединен с выходом третьего двоичного умножителя, выход преобразователя напряжение-частота соединен с вторым входом блока управления, а выход третьего элемента И - с вычитающим входом первого счетчика.

На фиг.1 изображена структурная схема устройства для осуществления способа аналого-цифрового преобразования; на фиг.2 - схема блока управления, вариант.

Устройство содержит источники 1 и 2 эталонных напряжений, источник 3 измеряемого напряжения, .ключи 4 - б, блок 7 управления, преобразователь 8 напряжение-частота, генератор 9 постоянной частоты, элементы И 10 - 12, счетчики 13 - 16, двоичные умножители 17 - 20, элементы И 21 и 22, счетчик 23.

Блок 7 управления состоит из триггеров 24 - 27, элементов И 28 - 30, элемента ИЛИ 31, счетчика 32. Блок 7 управления предназначен для выра0ботки временных интервалов TQ , Т и TX, соответствующих двум эталонным UQ и измеряемому и напряжениям, и управления работой аналогоцифрового преобразователя.

Аналого-цифровое преобразование

5 по предлагаемому способу проводится следующим образом.

Линейное преобразование первого, второго эталонных.и измеряемого напряжений в частоту осуществляется

0 с помощью преобразователя 8 напряжение-частота с выходной характеристикой

,+К,.и,

где F - частота на выходе преобразо5вателя 8 напряжение-частотаj F - начальная частота преобразователя В напряжение-частота , крутизна преобразователя 8

0

напряжение-частота; Ux - напряжение на входе преобразователя 8 напряжение-частота.

В общем случае F-t и К; нестабиль5ны из-за изменения напряжений источников питания, изменения температурно влажностного режима работы, старения комплектующих элементов и прочих дестабилизирующих факторов.

0

Подключение на вход преобразователя 8 напряжение-частота источников 1-3 первого Ug и второго и эталонных и измеряемого и напряжений осуществляется через ключи 4 - б, управляемые блоком 7 управления. При пос5туплении на блок 7 управления команды Пуск триггер 24 устанавливается в единичное состояние и подает разрешение на элемент И 28, через который импульсы частоты F с выхода преобра0зователя 8 напряжение-частота поступ пает на вход элемента ИЛИ 31 и далее на вход счетчика 32 емкостью п импульсов.

После подсчета п импульсов импульс

5 переполнения с выхода счетчика 32 возвращает в исходное (нулевое состояние триггер 24, КОТО1МЛЙ подает соответствующий сигнал на ключ 4, в результате чего источник 1 первого

0 эталонного напряжения отключается от входа преобразователя 8 напряжениечастота. Время заполнения счетчика 32 и определяет длительность каждого такта преобразования. Установка в исходное С нулевое ) состояние тригге5pa вызыва&т установку в единичное состояние триггера 25, который feрез ключ - 5 подключит на вход преобра зователя 8 напряжение-частота источник 2 второго эталонного напряжения 0 . Импульсы частоты F с выхода преобразователя 8 напряжение-частота поступают через элемент И 29 и элемент ИЛИ 31 на вход счетчика 32. Пос ле переполнения счетчика 32 триггер 25 переводится в исходное (нулевое) состояние, а триггер 26 устанавливается в единичное состояние, и источник 3 измеряемого U напряжения подключается через ключ 6 к входу преобразователя 8 напряжение частота. Иютульсы преобразованной частоты с выхода прербразователя 8 напряжение-частота поступают через элемент И 30, на другой вход которого поступает разрешение с выхода триггера 26, и элемент ИЛИ 31 на вход счетчика 32. При поступлении на счетчик 32 п импульсов он переполняется, и импульс переполнения переводит три гер 26 в исходное (нулевое) состояни Триггер 27 переводится в единичное состояние и подает- разрешение на эле менты И 21 и 22. Аналого-цифровое преобразование происходит за 4 такта. На первом такте формируется временной интервал Т T n-t. где n - емкость счетчика 32 блока 7 управления, который заполняется импульсами часто ты выхода генератора 9 постоднной частоты.Количество импульсов N N, через элемент И 10, на другой вход которого подается разрешение с выхо триггера 24 блока 7 управления, пос тупает на суммирующие входы счетчик 13 и 15. . На втором такте на вход преобразователя 8 напряжение-частота подае ся напряжение U и формируется врем ной- интервал РЪ -t т . который заполняется импульсами част тыРад, с генератора 9 постоянной час тоты. Количество импульсов Nfj П ЭС1п- 1 через элемент И 11 на другой вход которого подается разрешение с триг гера 25 блока 7 управления, поступает на вход счетчика 14 и вычитающий вход счетчика 15. На третьем такте на вход преобразователя 8 напряжение-частота подается напряжение U и формируется временной интервал T-j T,n-ta .- i , который заполняется импульсами часю тотыЕд. Количество импульсов N, V-F3dn.-T через элемент И 12, на другой вход которого подается разрешение с триггера 26 блока 7 управления, поступает на вычитающий вход счетчика 13и вход счетчика IR. К концу третьего такта формируется разность N4 количеств импульсов ПОСТОЯННОЙ частотыРЗЯП за заданное (п) количество периодов частот, пропорциональных первому эталонному UQ и измеряемомуUx напряжениям WS «n.,)Эта разность записывается в счетчике 13.. Таким же образом формируется разность Ug количеств импульсов постоянной частоты , заданное п колиество периодов частот, пропорциональных первому UQ и BTOpOMyU -j, эталонным напряжения / . РЭ«П(Т,-Т). эта разность записывается в счетчике 15. Формирование частоты Fg , пропорциональной произведению разности N4 на количество импульсов Nrj постоянной. частотыР ап заданное, (п) количество периодов частоты, пропорциональной второму эталонномуUm напряжению, осуществляется с помощью умножитеей 17 и 18. На выходе двоичного умножителя 17 формируется частота Рл с с Ь301П где А - емкость счетчика 13. Эта частота поступает на вход двоичного умножителя 18, на выходе которого формируется частота F р.рА-/ В sati. где В - емкость счетчика 14. Ф.ОЕМйрование частоты FT , пропорциональной произведению разности Nj на количество импульсов Nj постоянной частотыFjjjp3a заданное (п количество периодов частоты, пропорциональней 1змеряемомуU;( напряжению, осуществляется с помощью двоичных умножителей 19 и 20. На выходе двоичного умножителя 20 формируется частота FQ

где С - емкость счетчика 16,

Эта частота поступает на вход двоичного умножителя 19, на выходе которого формируется частота F-, здп.-ёТс- где D - емкость счетчика 15. На четвертом такте осуществляе ся определение кода, пропорционал ного измеряемому Ux напряжению. Операция определения отношения частот Pg и Р-, осуществляется с пом щью счетчика 23, элементов И 21 и 22, на которые подается разрешени с выхода триггера 30 блока 7 упра ния. Емкость счетчика 23 равна Е. пульс переполнения счетчика 23 пе водит триггер 27 блока 7 управлен в исходное (.нулевое) состояние, запирая элементы И 21 и 22. Следовательно, время, в течение кото го счетчик 23 переполнится, равно Е- C-D BWX. F, . За это время на выход устройства с выхода элемента И 21 поступает количество импульсов N N -E-C-D вых- . гаг. 7i Подставим в последнее выражени 3 начения «п.ап1т.-) N -Е- шх- А-Б ,,п.Г1-) аГг) ( Умножая числитель и знаменател последнего выражения на Fn , F, (Рл получим N -Е. ВЫХ- А в , P.) , - F,K,.( где Q Е --- коэффициент пропорциональности. Из выражения дляМд уСледует, что результат аналого-цифрового преобр зования не зависит от характеристи преобразователя 8 напряжение-часто та F и К и от частотыР дп генератора 9 постоянной частоты.

Технико-экономический эффект предлагаемых способа и устройства заключается в повышении быстродействия аналого-цифрового преобразования, которое составляет менее 0,3 с, а следовательно, и снижении динс1мической погрешности. Формула изобретения 1.Способ аналого-цифрового преобразования, основанный на линейном преобразовании двух эталонных и измеряемого напряжений в частоту следования импульсов, отличающийс я тем, что, с целью повышения быстродействия и динамической точности преобразования, формируют данные количества периодов частот . пропорциональных двум Эталонным и измеряемому напряжениям, подсчиты-. вают разность количеств импульсов постоянной частоты за заданное количество периодов частот, пропорциональных первому эталонному и измеряемому напряжениям, формируют первую частоту, пропорциональную произведению указанной разности на количество импvльcoв постоянной частоты за заданное количество периодов частоты, пропорциональной второму эталонному напряжению, подсчитывают разность количеств импульсов постоянной частоты за заданное количество периодов частот, пропорциональных первому и второму эталонным напряжениям, формируют вторую частоту, пропорциональную произведению второй разности на количество импульсов постоянной частоты за заданное количество периодов частоты, пропорциональной измеряемому напряжению, и определяют отношение первой и второй сформированных частот. 2.Устройство для осуществления способа по П.1, содержащее 1сточНИКИ двух эталонных и измеряемого напряжений, соединенные соответственно через первый, второй и третий аналоговые ключи с входом преобразователя напряжение-частота, блок управления, три первых выхода которого соединены с вторыми входами аналоговых ключей и первыми входами первого, второго и третьего элементов И, причем выход первого элемента И соединен с суммируюглим входом первого счетчика, выход второго элемента И соединен с суммирующим входом второго счетчика, выход третьего элемента И соединен с суммирующим входом третьего счетчика, четвертый счетчик, пятый счетчик, выход которого соединен с входом блока управления, генератор импульсов постоянной частоты, выход которого соединен с вторым входом третьего элемента И, первый двоичный умножитель, управляющие входы которого соединены с выходами первого счетчика, второй двоичный умножитель, управляющие входы которого соединешгл с выходами третьего счетчика, четвертый элемент И, о т личающееся тем, что, с це лью повьшения быстродействия и : уменьшения динамической погрешности в него введены третий двоичный умножитель, управляющие входы которого соединены с выходами второго счетчика, а счетный вход - с выходом первого двоичного умножителя, четвертый двоичный умножитель, управляющие входы которого соединены с выходами четвертого счетчика, а счетный входс выходом второго двоичного умножителя, пятый элемент И, один вход которого соединен с выходом четвертого двоичного умножителя, а выходс входом пятого счетчика, причем выход генератора импульсов постоянной частоты соединен с вторыми входами первого и второго элементов И и первого и второго двоичных умножителей , суммирующий и вычитающий входы четвертого счетчика соединены с выходами первого и второго элементов И соответственно, четвертый выход блока управления соединен с вторыми выходами четвертого и пятого элементов И, первый вход четвертого элемента и соединен с выходсаи третьего двоичного умножителя, выход преобразователя напряжение-частота соединен с вторьлм входом блока управления, а выход третьего элемента И - с вычитающим входом первого счетчика. Источники информации, принятые во внимание при экспертизе 1.Патент США № 3633202, кл.340347 АД, опублик. 04.02.74. 2.Авторское свидетельство СССР по заявке № 2866283/23 Кл. Н 03 к 13/20, 10.01.80.

fui.i

uz.i