Интегрирующий аналого-цифровой преобразователь

(вБОпр 152 РЕСПУ 4 Н 03 М 1/52 ОПИС ЗОБРЕТЕН ЕТЕЛЬСТВ А ВТОРСКОМУ 2(71) Пензенский политехничес й и итут ре ически с.358-359,тели ин 368-370,О-ЦИФРОВ АЦП Интегрирующ3 интегра7 сравненичастоты, упреобразои-код, устро лючи йств ит соде и 5, рато Изобретение относится кмерительной технике и можепользовано для построенияных средств измерений,Цель изобретения - повышение точности преобразования.На Фиг.1 представлена структсхема устройства; на Фиг,2 - врная диаграмма, поясняющая работройства; на фиг.3 - один из возвариантов реализации устройстваравления; на фиг.4 - временная диаг"рамма, поясняющая работу устройствауправления; на Фиг.5 - одна из возможных реализаций преобразователяинтервал времени-код; на фиг,6временная диаграмма работы преобразователя интервал времени-код; нафиг.7 - процесс преобразования попрототипу; на фиг.8 - процесс пония информативного интервала в илагаемом устройстве,электроиз т быть ис- высокоточстр 8 о ген тройс атель йство ы 119 уп нтер влево 10 вре ни ме де я соер 115к 20 управле 13, три вибрато 9, счет урная емену уст можных уп нтервал времеы И 22 и 23,27, муль, делитель О,на два раммы, представленностью отражают про пряжения на выходах Временные диа ные на Фиг2, посс изменения теграторов 4Устройство р лучеред 5.отает следующим об раз ГОСУДАРСТ 8 ЕННЫИ НОМИТЕПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТНРЫТПРИ ГКНТ СССР(57) Изобретение относится к элекизмерительной технике и предназна одля создания высокоточных аналогоцифровых преобразователей постоянногонапряжения, Целью изобретения является повышение точности преобразования,Поставленная цель достигается тем,что в интегрирующий аналого-цифровойпреобразователь, содержащий преобразователь интервал времени - код,устройст;о управления, устройствосравнения, интегратор, генератор об"разцовой частоты и три ключа, введенывторой интегратор, второе устройствосравнения и дополнительные связи,3 з.пв ф-лы) 8 ил. ржит Л-триггер о счетным входом, одно 1 Ь, элементы И 17 - 1 лемент 21 задержки,Преобразователь 10 и и-код содержит элемент риггер 24, счетчики 25 иплексор 28, сумматор1525915Фиг,ВСоставитель В.МахнановРедактор Н,Киштулинец Техред М.ДидыкКорректор В.Еабаций1Заказ 7244/55 Тираж 884 Подписное ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР 113035, Москва, 3-35, Раушская наб., д, 4/5 Производственно-издательский комбинат Патент", г. Ужгород, ул. Гагарина,101(Фи,21 ключ 1 разомкнут, э ключи 2и 3 замкнуты, в результате чего засчет интегрирования образцового нап 5ряжения Б которое имеет попярность 1противоположную (1, списывается накопленный интегратором 4 интеграл,Поскольку ключ 3 замкнут, то операционный усилитель интегратора 5 охва 1 Очен 100/-ной отрицательной обратнойсвязью, следовательно напряжение(1,тна выходе интегратора 5 поддерживается равным нулю (при пренебрежениисобственными шумами),15В момент времени с 1, когда напряжение П(С ) достигает значения порогового напряжения 11, срабатываетустройство 6 сравнения, по сигналусрабатывания которого устройство 9управления формирует на своем третьемуправляющ 1 ем выходе потенциальный сигнал, размыкающий ключ 3. При этомначинает интегрироваться напряжение1 и т , При достижении напряжением11 нулевого значения срабатываетустройство 7 сравнения, по сигналусрабатывания которого устройство 9управления снимает со своего второгоуправляющего выхода потенциальныйсигнал, выставляя его на первом итретьем управляющих выходах, следовательно к входу интегратора 4 подключается измеряемое напряжение Б , аусилитель интегратора 5 вновь оказывается охваченным 1001-ной, отрицательной обратной связью. Измеряемоенапряжение интегрируется в течениезаданного устройством 9 управленияинтервала времени То, по истечениикоторого (момент Т ) устройство уп 404равления снимает потенциальный сигнал с своего первого управляющеговыхода и выставляет потенциальныйсигнал на втором. При этом ключ 1размыкается, а ключ 2 замыкается, врезультате к входу интегратораподключается выход источника образцового напряжения Б, которое интегрируется за время ЬТ+Ог, Начиная с моментапроцесс работы устройства50аналогичен описанному выше.Информативные интервалы 4;, ДТ,формируются устройством 9 управленияи квантуются импульсами образцовойчастотыв преобразователе 10 инотервал времени-код, который формируетна своем выходе результат преобразования в виде двоичного кода 111 ы=(; + 6 Т +г) 1 являющегося цифровым эквивалентом измеряемого напряжения 1/,Результат преобразования считывается с выхода устройства по сигналу11 1Готов , формируемому по окончанииинтервалов времени 0 устройством 9управления.Процесс преобразования за времяТц (от момента времениг до с,фиг,2, 6) описывается следующ 1 им управлением; БЮ 61 У 11 ТОЬТБо Б 9 г02 л т времени интегрироратора 4.но информативного найдем вания интег Решая относитель интервала времени, 9,+9 г УТо(Т +2 ОПолагая, что интегратор 5 и устройство 6 сравнения являются идеальными, для интервала 61 имеем следующее выражение:е,1 БоСЖ)1 -О,лгде- постоянная времени интегрирования интегратора 5Вычислив интеграл и подставив пределы интегрирования, получим1 1 ОЬ 11Вынеся общий множитель 01 заскобки, умножив и разделив правую иллевую части уравнения на 1, получим6 (Б0) = О,.Корнями выражения являются61 =0 (соответствует началу интерБв 21вала) и 911 1.оВыражение представляет собой значение информативного интервала О, в случае, когда элементы устройства идеальны по всем параметрам.Однако предлагаемому устройству, как и прототипу присущ 1 а случайная аддитивная погрешность, обусловленная неравенством значений выходного напряжения интегратора 5 Пинт в начале 1и концеинтервала времени 0, 1 5т,е.Инт 5 ( 1 ) ннтв(3)ЛЬцо ц 2 лЬ Кс где компонента огрешность оп еделения инфДля опреде ти от исполь стройства не рмативного ин ения выигрыша ования предла вала. точноаемогоь отноше хо цени ого наиде олучим 2 цО, цг,О цп 16 кс 2 л ц л с 30 и общий множите Вынеся за скцпимеем(,цп 6(макс г (2 ц 9,рыща нас и ерег,я оценки выи обратная сомнож величинт.е,и Цос т 1г-- ) -8 цп( цмаксв значение О,цо цр ц 2 ) 1цо цп с цмс(кс Й- - ( ц 2чим Подста ЛЧ (2 цп ц 2 цо е- - О=ь цо г) =2 цо цллакс цо 2 цмпк ц Предлагаемое устройсшность, равную ает и цп цо л )о+Ц 1515259Механизм возникновения рассматриваемой погрешности представлен временной диаграммой на фиг,б. Поскольку смещение нуля операционного усилителя (ОУ) интеграторов 4 и 5 и ОУ устройств 6 и 7 сравнения вызывает систематическую погрешность, при рассмотрении процесса преобразования принимается во внимание лишь высокочастотные сос тавляющие собственных шумов(а.) интегратора о и,т (С) устройства 1 сравнения, Заметим, что при оговоренном условии значение собственного шума ( , (т) на выходе интегратора о 1 а равно значению собственного шума ОУ, приведенного к го входу. Действительно, до момента е ОУ охвачен 1001-ной отрицательной обратной связью (ООС),Поэтому в этот момент имеем место равенство 20 ц (,)-(, ).После момента т, когда конденсатор разомкнут, сопротивление последнего для высокочастотной составляющей по-прежнему остается достаточно малым 25 т.е. по-прежнему действует 10-ная ООС. В момент с з имеет место равенство ц, (сз)= ср( ). Таким обРаэом, можно записатьОценим вес параметра 6 К в результате преобразования.Полагая, цто за исключением собственных шумов во всех отношениях интег ратор 5 и устройство 7 сравнения идеальны, можно записатьбЬ(ц- = ) де =ДК.Вычислив интеграл и подставив граоницные значения интервала интегрирования, получим физический смысл имеет лишь кореньО,л поэтому, вынося за знак радикалавеличину ц 2,получим 156Воспользовавшись формулой разложения Функции вида 1 г=(1-Х)" в степенной ряд и ограничившись первым членом ряда ввиду маслости последующих, представим подкоренное выражение следующим образом; Цда КГ 2 М и 6 Кс. +Ц(1 ) = ---цо цп ние - в формуле. Лля значение выходного напряжения интегратора 5 в момент времени сг, т,е,когда цп,( ) достигнет максимального значения0)2мак л(ЦпМдС,максиОРешив уравнение и подставив пределы интегрирования, и Ис 3 (. цп-: Юпредл ц ц 2 ц, кеПогрешность преобразования у предлагаемого устройства во столько разменьше, чем в прототипе, во сколькораз значение 2 ц , больше пороговогонапРЯжениЯ. Реально значение цмаксопределяется диапазоном линейного51015 у)1 д)с ) э х,;р.,к ристики вход-выход с 1).рдци)энного усилит=ля, т.е, длл больш, ) тдд типов опердционньсс усилителей составляет 1 О В, Значение О не должно быть меньше максимально возможного значения напряжения смещения операционного усилителя, на котором построен интегратор 5 (при несоблюдении этого условия функционирования устройства не будет соответствовать временной диаграмме фиг,8 Обычно напряжение смещения не превышает 100 мВ, Следовательно, 21, /11,Мал) имеет порядок 10 и более, т,е. в рассматриваемом устроистве обеспечивается уменьшение случайной погрешности от воздействия собственных шумов примерно нд 2 и более десятичных поРядсовМеханизм получения преимущества наглядно иллюстрируется на фиг.7 и 8,Нд Фиг,7 представлен процесс преобрдэовднил по прототипу, где (с ) собственный шум операционного усилителя устройства сравнения. Процесс получения информативного интервала в предлагаемом устройстве представленфиг,8, Очевидно, цто решающим фактором в вопросе повышения точности измерения является значение крутизны наклона графика изменения выходных напряжений интеграторов в зоне действия сигналов собственных шумов операционных усилителей.Рассмотрим работу устройства 9 управления.Сигналы управления ключами 1-3 Формиру)атсл 1)-триггерами 11 и 12 по сигналам срабатывания устройств 6 и сравнения Информативные интервалы Я :Форл 1 ируются на выходах П-тригге;в 11 и 13 соответственно. Заданны 1 ингерлдл Т, интегрирования измеряемого напряжения 11 равен времени заполнения полного объема счетчика 20 илпульс,эл 1 и образцовой частоты 1т,е, 2- импульсами, Интервал времени Т, ндчиндетсл с момента срабатывания устройства 7 сравнения и заканчивается с приходом на вход счетчика 20 и-го импульса частоты 1 . Л-триггер 12 устдндвливдется в нулевое состояние по заднему Фронту сигнала с выхода старшего разряда счетчика 20, Пля устранения запрещенных комбинаций логических уровней нд входах 0-триггера 12 между К-входом последнего и выходом старшего (ц-го) разряда счетчика О 5 ЗО 35 40 45 50 55 20 включена развязка в виде одновибрдторд 16, который Формирует короткий импульс по заднему Фронту. Аналогич-, ную Функцию выполняет одновибрдтор 15, который Формирует короткий импульс по переднему фронту сигнала срабатывания устройства 7 сравнения.поступлением каждого импульса с выхода одновибратора 15 на счетный вход триггера 14 последний изменяет свое состояние на противоположноеСостояние триггера 14 стробируется импульсами с выхода элемента 21 задержки на элементах И 18 и 19. Элемент 21 задержки компенсирует задержки времени на переходные процессы при срабатывании триггера 14 и обеспечивает временную развязку между моментами появления импульсов "Готов" и "Сброс" (фиг.4 диаграммы СТ 1, СТ 2, СТ 3). Импульсные последовательности Сброс СТ 1" и "Сброс СТ 2" сдвинуты дэуг относительно друга на полпериодд.Работу устройства 9 управления рассмотрим, начиная с момента(Фиг.4), когда на прямой динамический С-вход 11-триггера 11 поступает передний Фронт сигнала срабатывания устройства 6 сравнения, в результате чего на прямом выходе триггера 11 выставляется потенциальный сигнал, который поступает на четвертый выход устройства 9 управления и одновременно переводит В-триггер 13 в нулевое состояние. С поступлением на четвертый вход схемы 9 управления переднего фронта сигнала срабатывания устройства 7 сравнения (УС 7, момент) триггер 2 переходит в единичное состояние, открывая элемент И 17 для прохождения импульсов образцовой частоты Г, на счетный вход счетчика 20, который до этого момента был обнулен, Одновременно импульс с выхода одновибратора 15 сбрасывает 0-триггер 11 изменяет состояние триггера 14 и с задержкой с на элементе 21 задержки поступает через элемент И 18 или 19 (в зависимости от состояния триггера 14) на пятый или шестой выход устройства 9 управления. Таким образом, между моментами времени с, и 1формирует первый информативный интервалНачиная с момента з формируется заданный интервал Т который заканчивается с поступлением и-го импульса на вход счетчика 20.По завершении интервала Т на выходе старшего разряда счетчика 20наблюдается отрицательный перепад логического уровня, в результате чего5триггер 13 принимает единичное состояние и одновибратор 16 формируетимпульс, сбрасывающий триггер 12,следовательно элемент И 17 закрывает"ся для прохождения импульса образцовой частоты на счетный вход счетчика 20,Между моментамии с , с и сформируются информативные интервалы6 Т и 0 соответственно. Далее работасхемы протекает аналогично процессу,описанному выше.С целью исключения накопления погрешности квантования моменты временисрабатывания устройства 6 сравнения,начала интервала Т окончания интер"вала ДТ синхронизированы с образцовойчастотойРаботу преобразователя интервалвремени - код рассмотрим, начиная смомента с (фиг.6), когда в счетчике27 зафиксировано число импульсовпачки дТ, Гр, в счетчике 25 зафиксировано число импульсов пачки 0, Гр,счетчик 26 сброшен, а триггер 24 на- ЗОходится в единичном состоянии. Навремя 6, открывается элемент И 22 иимпульсы образцовой частоты Гр поступают на счетные входы счетчиков 25и 26, Таким образом, по окончанииинтервала 9, (момент с, фиг,б) навыходах счетчиков 25 и 26 будут сфор"мированы коды Н,=(6 о+,) 1 и 1- 1соответственно. Потенциальный сигнал,присутствующий на выходе триггера 24, щвоздействуя на управляющий вход мультиплексора 28, поддерживает последнийоткрытым по первому входу, подключаятем самым выход счетчика 25 к входуделителя на два 30. Таким образом, 45на входы сумматора 19 поступают коды60+ ,ДТ, Г 0 и ( ) К . Следовательно,на выходе преобразователя интервалвремени-код будет сформирован код 5000+0,Иы=( + Д Т,)Г который являет ся результатом преобразования измеря" емого напряжения. Код И ы считывает ся импульсом "Готов", С некоторой задержкой после появления импульсаГотов" импульсами "Сброс СТ 1" и Сброс СТ 3" (см. фиг,4) обнуляются счетчики 25 и 27, а также изменяет свое состояние триггер 24, снимая со своего выхода потенциальный сигнал, в результате чего мультиплексор 28 подключает к входу делителя на два 30 выход счетчика 26, В момент времени с на время ЬТ потенциальным сигналом с первого входа преобразователя 10 интервал времени-код открывается элемент И 23 для прохождения импульсов образцовой частоты Г на счетный вход счетчика 27, на выходе которого по истечению интервала времени АТ, формируется код М -ДТ й . Далее повторяется описанный выше процесс, т.е. работа схемы, начиная с момента времени ст, аналогична работе с момента времени с, .Цикл преобразования измеряемого напряжения заключен между моментами си с (фиг.6), Каждое значение 0 является компонентом результатов преобразования как предыдущего, так и последующего циклов. В связи с этим для реализации функции преобразования необходимо иметь значение 0;, полу" ценное в данном цикле, и 9; полу" ченное в предыдущем цикле. Последнее осуществляется посредством двух счетчиков 25 и 26. Один из них фиксирует последовательность Г 9 второй - добавляет к зафиксированной в предыдущем -1-ом цикле импульсной последовательности О;, Г, имгульсную последовательность 0; Г д-го цикла.формула изобретения1Интегрирующий аналого-цифровой преобразователь, содержащий первый и второй ключи, информационные входы которых являются соответственно входной шиной и шиной образцового напряжения, а выходы объединены и подключены к входу первого интегратора, выход которого соединен с первым входом первого устройства сравнения, второй вход которого является шиной порогового напряжения, а выход подключен к первому входу устройства управления, первый и второй выходы которого подключены к управляющим входам первого и второго ключей соответственно, а третий выход соединен с первым входом преобразователя интервал времени - код, второй вход которого соединен с выходом генератора образцовой частоты, а выходы явля 1525915 1240 ются выходной шиной, о т л и ч а ю щ и й с я тем, что, с целью повышения точности преобразования, в него введены второй интегратор, второе устройство сравнения и третий ключ, информационный вход и выход которого подключены к первому и второму управляющим входам второго интегратора соответственно, информационный вход которого соединен с выходом первого интегратора, выход подключен к первому входу второго устройства сравнения, второй вход которого является общей шиной, а выход подключен к вто рому входу устройства управления, третий вход которого соединен с выходом генератора образцовой частоты, четвертый выход - с управляющим входом третьего ключа, пятый, шестой, седьмой и восьмой выходы соединены соответственно с третьим, четвертым, пятым и шестым входами преобразователя интервал времени - код, девятый выход является шиной готовности ре зультата.2, Интегрирующий аналого-цифровой преобразователь по и. 1, о т л и ч а ю щ и й с я тем, что устройство управления выполнено на трех Э-триггерах и триггере со счетным входом, двух одновибраторах, трех элементах И, счетчике и элементе задержки, при" чем первым входом устройства является С-вход первого 1-триггера, К"вход ко торого соединен с выходом первого одновибратора и объединен со счетным входом триггера со счетным входом, входом элемента задержки и является девятым выходом устройства, шестым выходом которого является выход элемента задержки, седьмым и восьмым выходами - соответСтвенно выходы первого и второго элементов И, первые входы которых подключены к выходу 45 элемента задержки, а вторые входы соединены соответственно с прямым и инверсным выходами триггера со счетным входом, вход первого одновибратора является вторым входом устройства и объединен с С-входом второго П- триггера, К-вход которого через второй одновибратор подключен к выходу старшего разряда счетчика, который подключен к С-входу третьего Р-триг 55 гера, К-вход которого является пятым выходом устройства и соединен с прямым выходом первого Р-триггера, инверсный выход которого является четвертым выходом устройства, а прямойи инверсный выходы второго 1)-триггераявляются соответственно первым и вторым выходами устройства, при этомпрямой выход второго П-триггера соединен с первым входом третьего элемента И, второй вход которого является третьим входом устройства, третьимвыходом которого является выход третьего Р-триггера, а выход третьего элемента И соединен со счетным входомсчетчика, Р-входы первого, второгои третьего Л-триггеров являются шинойлогической единицы.3. Преобразователь по п.1, о тл и ч а ю щ и й с я тем что преобразователь интервала времени - кодвыполнен на двух элементах И, трехсчетчиках, триггере, мультиплексоре,сумматоре и делителе частоты на два,через который выход мультиплексорасоединен с первым входом сумматора,выходы которого являются выходамипреобразователя, а второй вход соединен с выходом первого счетчика, входсброса которого является четвертымвходом преобразователя, а счетныйвход соединен с выходом первого элемента И, первый вход которого является первым входом преобразователя,а второй вход является вторым входомпреобразователя и объединен с первымвходом второго элемента И, второйвход которого является третьим входомпреобразователя, а выход соединен сосчетными входами второго и третьегосчетчиков, входы сбросов которых являются соответственно пятым и шестымвходами преобразователя, а выходысоединены соответственно с первыми вторым информационными входамимультиплексора, управляющий вход которого подключен к выходу триггера,К- и Б-входы которого являются пятыми шестым входами преобразователя соответственно,Преобразователь по п.1, о тл и ч а ю щ и й с я тем, что второй интегратор выполнен на резисторе, конденсаторе и операционном усилителе, выход которого является выходом интегратора, вторым управляющим входом и через конденсатор соединен с инвертирующим входом операционного усилителя, который является первым управляющим входом блока и соединен с первым выводом резистора, второй13152591514вывод которого является информацион- вход операционного усилителя являетсяным входом блока, а неинвертирующий общей шиной.В ьТ Йт Ор Сбро Ори