Способ преобразования среднего значения сигнала в код Советский патент 1982 года по МПК H03K13/20 

(5) СПОСОБ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ СРЕДНЕГО ЗНАЧЕНИЯ СИГНАЛА В КОД

Изобретение относится к технике преобразования аналоговых величин в цифровые и используется в высокоточных аналого-цифровых преобразователях, цифровых приборах и системах. Известен способ преобразования среднего значения сигнала в код с пр межуточным преобразованием сигнала в интервал времени,основанный на поочередном (разновременном) сравнении интегралов (площадей) от преобразуемого и компенсирующего постоянного эталонного сигналов 1. Недостатком данного способа является отсутствие возможности повышения точности преобразования ввиду по грешности от неидеальности интегратора. Известен способ преобразования среднего значения сигнала, в код, при котором одновременно и совместно интегрируют преобразуемый и компенсиру ющий линейно изменяющийся сигналы за интервал времени от начала действия компенсирующего сигнала до момента равенства интегралов от указанных сигналов и кодируют указанный интервал времени 2j, Недостатком известного способа является низкая точность преобразования вследствие существенного влия- . ния погрешности сравнения, обусловленная шумами, воздействующими на операцию сравнения. Цель изобретения - уменьшение относительной погрешности преобразования при одновременном повышении чувствцтельности. Указанная цель достигается тем, что согласно способу поеобоазоваиия среднего значения сигнала в код, пои KOTODOM одновременно и совместно интегрируют преобразуемый сигнал и компенсирующий линейно изменяющийся сигнал, полярность которого противоположна полярности преобразуемого сигнала, выделяют интервал времени от начала действия компенсирующего сигнала до момента равенства нулю сигнала, являющегося результатом интегрирования и пpeoбpaзvют полученный интервал воемени в код, к у.каэанным сигналам добавляют вспомогательный сигнал, полярность которого выбирают противо положной полярности компенсирующего сигнала, а после преобразования интервала времени в код из результирующего кода вычитают код, пропорциональный значению вспомогательного сигнала. На фиг. 1 представлен вариант структурной схемы устройства, реализующего способ; на фиг. 2 - временны диаграммы, поясняющие способ. Устройство содержит вход 1 преобразуемого сигнала, источник 2 вспо могательного сигнала, интегратор 3 генератор компенсирующего эталонного линейноизменяющегося сигнала, источник 5 порогового сигнала, сравниваьэщее устройство 6, генератор 7 импульсов образцовой частоты, шину 8 Пуск, шину 9 Режим, регистр 10 памяти, блок 11 управления, счетчик 12, выходы 13 счетчика. Преобразователь среднего значения сигнала.в код ( фиг. 1) содержит источник вспомогательного сигнала 2, выход которого соединен с первым вхо дом интегратора 3. Второй вход интег ратора 3 является входом 1 преобразу емого сигнала U-, К третьему входу интегратора 3 подключен выход генера тооа t компенсиоуюшего эталонного линейно изменяющегося сигнала, управляющий вход которого соединен с выходом сравнивающего устройства 6, входы которого соединены с источником 5 порогового сигнала и выходом интегратора 3. Выход сравнивающего устройства 6 подключен, кроме того, к первому входу блока 11 управления, второй и третий входы которого являются входами управляющих сигналов Пуск и Режим устройст,§а, а четвертый и пятый входы блока управлени соединены соответственно с выходом генератора 7 импульсов образцовой ча тоты и выходом переполнения счетчика 12. Первый выход блока управления 1 соединен с входом записи (W) регистра 10 памяти, информационные входы«i которого являются входами устройства для записи кода, пропорционального значению вспомогательного сигнала, и могут быть соединены с выходами 13 9 6 счетчика 12, которые являются выходами устройства. Входы Y4 ( предварительная установка/, С + (суммирование импульсов), С - ( зымйтание импульсов), (установка в 0 счетчика 12 соединены с соответствующими выходами блока управления 11. Информационные входы d счетчика 12 соединены с выходами регистра 10 памяти. Способ преобразования среднего значения сигнала в код осуществляется следующим образом. Аналоговая часть устройства,включающая источник 2, интегратор 3, генератор А, источник 5 и сравнивающее устройство 6 работает в асинхронном режиме непрерывно. В исходном состоянии выходной сигнал интегратора 3 UH равен пороговому сигналу и(фиг.2,г а выходной сигнал генератора U| (фиг. 2,в ) равен нулю. На первый и второй входы интегратора поданы вспомогательный ир(0иг. 2,6 и преобразуемыйи./(фиг. 2,а) сигналы. Величина вспомогательного сигнала выбирается из условия отсутствия нелинейных искажений на выходе интегратора при интегрировании суммы максимального входного и вспомогательного сигналов. В момент времени х-о начинает развертываться во времени 0 , и интегратор 3 одновременно интегрирует преобразуемый U)( , вспомогательный J и компенсирующий U сигналы. ВыходНОИ сигнал интегратора, изменяясь по параболическому закону, з момент времени t становится равным пороговому сигналу LVi(фиг. 2,д). Выходным сигналом сравнивающего устройства 6 генератор Ц устанавливается в исходное состояние и вновь запускается. Далее процесс повторяется аналогичным образом. Интервал времени между двумя моментами срабатывания сравнивающего устройства 6 (t, t) фиксируется и кодируется с помощью блока управления 11, счетчика 12 и генератора 7 импульсов образцовойчастоты. Работа цифровой части устрой.ства, включающей блок 11 управления, сметчик 12, генератор 7 и регистр 10, зависит от способа получения цифрового эквивалента значения вспомогательного сигнала Up, Этим же, в частности, определяется и внутренняя структура блока 11 управления.

При известном коде пропорциональном вспомогательному сигналу (Jg цифровая часть устройства работает следующим образом.

Код N/J-. записывается в регистр 10 памяти извне по входам d и хранится в регистре постоянно. По сигналу Пуск, поступающему в блок управления 11 по шине 8, код N переписывается в счетчик 12 по входам и N4 . С приходом первого после пуска импуль са от сравнивающего устройства 6блок управления 11 пропускает импульсы от генератора 7 на вычитающий вход С счетчика 12. Для положительных значений преобразуемого сигнала Uy , т.е. когда код N пропорционален сумме Uy и Ug и, следовательно, N Ml импульс переполнения с выхода Р счетчика 12 воздействует на блок управления 11, который переводит счетчик 12 на суммирование импульсов от генератора 7. По следующему импульсу от сравнивающего устройства 6 блок управления 11 останавливает счетчик 12 с выходов 13 которого снимается код И М|2, пропорциональный значению преобразуемого сигнала Uy . Для отрицательных значений преобра зуемого сигнала, т.е. когда N N2 счетчик 12 работает только на вычитание, пока по сигналу от сравнивающего устройства 6 блок управления 11 не прекратит подачу импульсов от генератора 7 на счетчик. Код Ы/2.1 пропорциональный значению вспомогательного сигнала U, может быть получен с помощью этого же устройства. Для этого сигналом на шине 9 изменяют режим работы блока уп равления 11, а вход 1 отсоединяют.от источника преобразуемого сигнала и замыкают на общую шину устройства, т.е. делают Uy 0. По сигналу Пуск счетчик 12 устанавливается в нулевое состояние, и по первому же импульсу с выхода сравнивающего устройства 6 блок управления 11 пропускает импульсы от генератора 7 на суммирующий вход С + счетчика 12. При поступлении следующего импуЛьса от сравнивающего устройства 6 блок управления 11 запре щает счет импульсов, и в счетчике 12 образуется код Ы-2. пропорциональный вспомогательному сигналу Далее код N переписывается в регистр 10 памяти.

Мат(ематически операция преобразования описывается следующим уравнением:

Vt-Un-I % u.-47)«UntUu,

где DV - пороговый сигнал;

постоянные времени интегрирования преобразуемого (U) и компенсирующего эталонного линейно изменяющегося Шк Kt) сигналов;

и действующее значение сигнаш Тй ла шума; постоянная времени интегри; рования -L/i .

При этом относительная погрешность

сравнения предлагаемого способа

Ш

1ТГ ь к

-.

г .

A-:..

ср

tv и

В V -РХ

Следовательно, данный способ позволяет уменьшить во много раз погрешность преобразования малых уровней преобразуемого сигнала Ujt и повысить чувствительность стройств,реализующих способ. Формула, связывающая код N и пре: образуемый Uy и вспомогательный UB сигналы, имеет вид Vl,-fj,(t,4o), о ТТК , где -J.Q - образцовая частота следова-. ния импульсов. Так как Btopoe слагаемое есть код Ы,, то . ., ктх-хили относительно и .jt - к 1fV -V- V Следовательно, преобразуемый сигнал ±1)т( прямо пропорционален коду N . образованному в конце такта преобразования на выходах 13 счетчика 12. При этом, если код N , пропорциональный значению вспомогательного сигнала О g, получают на том же устройстве, уменьшается относительная погрешность преобразования, вызванная медленным дрейфом нулевого уровня инИз уравнения преобразова тегратора. ния (4v-4;V 4 Kt)at--Un, следует, что код Ni пропорционален в этом случае сумме вспомогательног сигнала и сигнала дрейфа нуля интег ратора и др .. .г +1 ДР N -fota -tn т, V Uft-I о Св К - постоянная времени интегр рования Удр . Следовательно, код, пропорционал ный значению Цдр, фиксируется, а во время преобразования Ux вычитается в котором также присутствуе составляющая кода, пропорциональная ii )-vl(.- p Ap-i)a4.-Un мot.,.t о Тдрк в итоге в результирующем коде N5.отсутствует составляющая, пропорциональная Цдр. Таким образом, предлагаемый спо соб преобразования среднего значени сигнала в код позволяет уменьшить относительную погрешность преобразо вания и повысить чувствительность, а следовательно, повысить и точност преобразования Кроме того, способ позволяет расширить динамический диапазон преобразуемого сигнала и преобразовывать разнополярные сигналы без изменения направления развертки компенсирующего сигнала. Формула изобретения Способ преобразования среднего значения сигнала в код, при котором суммируют и интегрируют преобразуемый сигнал и компенсирующий линейно изменяющийся сигнал, полярность которого противоположна полярности преобразуемого сигнала, выделяют интервал времени от начала действия компенсирующего сигнала до момента равенства нулю сигнала, являющегося результатом интегрирования, и преобразуют полученный интервал времени в код, о тли чающийся тем, что, с целью уменьшения относительной погрешности преобразования и повышения чувствительности, к указанным сигналам добавляют вспомогательный сигнал, полярность которого выбирают противоположной полярности компенсирующего сигнала, а после преобразования интервала времени в код из результирующего кода вычитают код, пропорциональный значению вспомогательного сигнала . Источники информации, принятые во внимание при экспертизе 1.Прянишников В.А, Интегрирующие цифровые вольтметры постоянного тока, Л., «Энергия, 1976, с. 6-49. 2.Авторское свидетельство СССР № , кл. G01 R 19/02, 1972 (прототип).