Аналого-цифровой преобразователь с промежуточным преобразованием напряжения в частоту

( Ъб) 1 Справочник по цйфроани аналого-цифровым преобразовМ 1 Радио и связь", 1982, с,рис,1,13,2, Балакай В.Г. и др, Интеграль.ные схемы АЦП и ЦАП, М "Энергия", 1978, с. 70, рис.1-22 (прототип), (54)(57) АНАЛОГО-ЦИФРОВОИ ПРЕОБРАЗО- ВАТЕЛЬ С ПРОМЕЖУТОЧНЫМ ПРЕОБРАЗОВАНИЕМ НАПРЯЖЕНИЯ В ЧАСТОТУ, содержащий интегратор, выполненный на операционном усилителе, неинвертирующий вход которого соединен с общей шиной, а к инвертирующему входу подключены первый вывод первого резистора и первая обкладка конденсатора, вторая обкладка которого подклю.чена к выходу операционного усилителя, ключ, включенный между входной шиной и. рторым выводом первого резистора, второй резистор, первый вывод которого подключен к инвертирующему входу операционного усилителя, пороговый элемент, вход которо-. го подключен к выходу операционного усилителя, первый триггер., вход сброса которого подключен к выходу порогового элемента, а выход - к пер вому входу элемента И и к второму выводу второго резистора, таймер, вход которого соединен с тактовой шиной и вторым входом элемента И, первый счетчик, вход которого подключен к выходу элемента И, и второй триггер о т л и ч а ю щ и й с я тем, что, с пелью повышения точности, в него введены третий резистор и второй счетчик, первый вход кото- Ярого подключен к выходу переполнения первого счетчика, а второй вход через третий резистор соединен с инвертирующим входом операционного С: усилителя интегратора .и непосредственно с выходом второго триггера, информационный вход которого соединен с выходом интегратора, а тактирующий вход - .с тактовой шиной, причем первый и второй выходы таймера подключены соответственно к управляющему входу ключа и установочному входу первого триггера,Изобретение относится к цифровой измерительной технике и может быть использовано в устройствах для измерения постоянных или изменяющихся. во времени напряжений .и в частности в геоФизической аппаратуре, работающей по методу переходных процессов,Известен аналого-цифровой преобразователь с поомежчточным преобразованием напряжения в частоту и 10подсчетом импульсов эа стабильный,интервал времени Г 13.Недостатком данного преобразователя является низкая разрешающая способность, ограниченная дискретностью 15отсчета импульсов за интервал времени,Наиболее близким к изобретениюявляется аналого-цифровой преобразователь с промежуточным преобразованием в частоту. содержащий интегратор, выполненный на операционномусилителе, неинвертирующий вход которого соединен с общей шиной, а кинвертирующему входу подключены первый вывод первого резистора и перваяобкладка конденсатора, вторая обкладка которого подключена к выходуоперационного усилителя, ключ, включенный между входной шиной и вторымвыводом первого резистора, второйрезистор, первый вывод которого подключен к инвертирующему входу опеРационного усилителя, пороговый элемент вход которого подключен к вы35ходу операционного усилителя, первый Зтриггер,.вд сброса которого подключен к выходу порогового элемента,а выход - к первому входу элементаИ и к второму выводу второго резистора, таймер, вхоц которого соединен 40с тактовым входом преобразователя ивторым входом элемента И, первыйсчетчик, вход которого подключен квыходу элемента И, и второй триггер23. 45Недостатком известного преобразователя является низкая точность,ограниченная разрешающей способностьюкоторая при заданном быстродействии,определяемым интервалом вРемени, втечение которого производится подсчет выходных импульсов, ограничивается максимально допустимой частотойтактовых импульсов.Целью изобретения является повышение точности,Поставленная цель достигается тем,что в аналого-цифровой преобразователь с промежуточным преобразовани.ем напряжения в частоту, содержащийинтегратор, выполненный на операцион ном усилителе, неинвертирующий входкоторого соединен с общей шиной, ак инвертирующему входу подключеныпервый вывод первого резистора и первая обкладка конденсатора, вторая 65 обкладка которого подключена к выходу операционного усилителя, ключ,включенный между входной шиной ивторым выводом первого резистора,второй резистор, первый вывод которого подключен к инвертирующемувходу операционного усилителя, пороговый элемент, вход которого подключен к выходу операционного усилителя, первый триггер, вход сброса которого подключен к выходу пороговогоэлемента, а выход - к первому входуэлемента И и к второму выводу второго резистора, таймер, вход которогосоединен с тактовой шиной и вторымвходом элемента И,. первый счетчик,вход которого подключен к,выходу элемента И, и второй триггер, введенытретий резистор и второй счетчйк,первый вход которого подключен к выходу переполнения первого счетчика,а второй вход через третий резистор соединен с инвертирующим входомоперационного усилителя интегратораи непосредственно с выходом второготриггера,инФьрмационный вход которогосоединен с выходом интегратора,а тактирующий вход. - с тактовой шиной,причем первый и второй выходы таймераподключены соответственно к управляющему входу ключа и установочному входу первого триггера,На фиг.1 представлена Функциональная схема преобразователя; на фиг,2временнйе диаграммы сигналов,Устройство содержит интегратор,выполненный на операционном усилителе 1 с конденсатором 2 в цепи обратной связи и первым резистором 3,включенным последовательно с ключом4 между входной шиной и неинвертирующим входом усилителя 1. К управляющему входу ключа 4 подключенвыход таймера 5, а к выходу усилителя 1 - информационный вход второготриггера 6, выход которого черезтретий резистор 7 соединен с инвертирующим входом усилителя 1 и непосредственно - с входом второгосчетчика 8. К второму выходу таймера 5 подключен установочный входпервого триггера 9, выход которогочерез второй резистор 10 соединен синвертирующим входом усилителя 1.К выходу усилителя 1 подключен .входпорогового элемента 11, выход которого соединен с входом сброма первоготриггера 9. К выходу первого триггера 9 подключены первый вход элемента И 12, второй вход которого соединен с тактовым входом преобразователя, входом таймера 5 и тактовым входом второго триггера б, авыход- с входом первого счетчика13, Выход переполнения счетчика 13соединен с входом второго счетчика 8.На Фиг.2 приведены временные диаграммы напряжений; а - входное напряжение О , б - напряжение на выходе ключа, в - напряжение на выходе интегратора, г - импульсы грубого счета, д - импульсы точного счета.Устройство работает следующим образом.На вход интегратора, представляю- . щего собой операционный усилитель 1 с конденсатором 2 н цепи обратной связи и Резистором 3 на входе, подает.10 ся через ключ 4 измеряемое напряжение О (Лиг;2). Ключ 4 вырезает из полного входного напряжения отдельный участок (фиг.2 б), длительность которого Т определяется временем замыкания 15 ключа 4. Управление ключом 4 осуществляется от таймера 5, причем начало и конец временного интервала Т, н течение которого ключ 4 замкнут, синхронизованы импульсами тактовой 2 частоты 1 . При подаче входного напряжения на вход усилителя 1 происхо дит заряд конденсатора 2 и напряжение на выходе усилителя повышается, Когда напряжение на инФормационном/нходе триггера б достигает порога срабатывания, происходит опрокидывание триггера б по переднему Фронту ближайшего тактового импульса. При этом с выхода триггера 6 через резистор 7 на вход интегратора начинает поступать компенсирующий ток, что . приводит к понижению напряжения на ныходе интегратора и возвращению тРиггера б в исходное состояние по переднему фронту следующего тактового импульса. Процесс повторяется до тех пор, пока на входе интегратора действует входное напряжение. При этом напряжение на выходе интегратора имеет пилообразную форму (Фиг,2 е) Длительность компенсирующих импульсов на выходе триггера б ранна периоду тактовой частоты 1/1 , а амплитуда этих импульсов определяется напряжением питания триггера б. 45Если питание триггера 6 осущест-. вляется от источника калиброванного .напряжения, то на выходе триггера будем иметь .импульсы стабильной и калиброванной вольт-секундной площа ди, Количество этих импульсов за интервал времени Т, в течение которс)- го ключ 4 замкнут, пропорционально . интегралу от входного напряжения за тот.же промежуток вРемени; Им пульсы с выхода триггера б подаются на счетчик 8 и подсчитываются в нем, Эти импульсы (Фиг.2 г) будем услов-но называть импульсами грубого, счета.Поскольку Формирование компенси рующих импульсов происходит дискретно, а входное напряжение поступает на интегратор непрерывно, то, в общем случае, в конце временного интервала Т полной компенсации входного 65 напряжения действием компенсирующих импульсов не происходит. Это приводит к наличию на выходе интегратора некоторого некомпенсированного напряжения О . В конце временного интервала Т йа установочный вход триггера 9 подается импульс от таймера 5, что приводит к опрокидыванию триггера 9 и подаче на вход интегратора компенсирующего тока с выхода триггера 9 через резистор 10. Это приводит к понижению напряжения Оо на выходе интегратора до уровня порога срабатывания порогового элемента 11, кото. - рый, срабатывая, возвращает триггер 9 в исходное состояние. При этом прохождение компенсирующего тока через резистор 10 прекращается. В элементе И 12 происходит заполнение интервала времени, н течение которого с выхода триггера 9 протекает компенсирующий ток, импульсами тактовой частоты , . Ймпульсы на выходе элемента И 12 (фиг,2 д) будем условно называть импульсами точного счета. Длительность интервала времени, в течение которого происхоцит счет импульсов точного счета, однозначно определяют величину напряжения О, Импульсы точного счета подаются на вход счетчика 13. Если сопротивление резистора 10 выбрать в и раз больше сопротивления резистора 7 и если амплитуды напряжений, снимаемых с выходов триггеров б и 9, равны, то компенсирующие токи через резисторы 7 и 10 будут отличаться в и раэ и для компенсации одного и того же заряда конденсатора 2 током, проходящим через резистор 10, потребуется интервал времени в л раз больше, чем для тока, проходящего через резистор 7, Интервал времени, в течение которого через резистор 10 проходит ток компенсации, определяется числом импуль-" сов, снимаемых с выхода элемента И 12.Таким образом. с помощью импульсов то.ного счета определяется величина остатка напряжения на конденсаторе 2 в конце временнбго интервала, причем одному импульсу грубого счета ставится в соответствие и импульсов точного счета. Счетчик 13 имеет ш разрядов и при заполнении всех его раэрядон на счетчик 8 подается единица переноса. С выходов счетчиков 8 и 13 снимается кодовая комбинация, соответствующая среднему значению измеряемого напряжения в интервале времени выборки Т, Разрешающая способйость аналого-цифроного преобразователя при этом .увеличивается на число разрядов, которое имеет счетчик 13, а интервал времени выборки Т остается неизменным, эа счет увеличения разрешающей спо1102035 Дмитриев СоставителТехред М.Н орректорГ.Решет Редактор Н,Джуга писно аказ 4782 комитета СССРи открытийушская наб., д. лиал ППП "Патент", г, Ужгород, ул. Проектная, 4 собности повышается точность. Повышение точности и увеличение разрешающей способности аналого-цифрового преобразователя расширяет областьприменения этих устройств в первуюочередь для измерения напряжений,значительно изменяющихся во времени,При этом сохраняются неизменнымитакие положительные свойства преобразователей этого типа, как высокаяпомехоустойчивость, точность, линей О/43 Тираж 862ВНИИПИ Государственногпо делам изобретени 113035, москвау Я, Ра ность, марая температурная зависимость параметров, низкая стоимость,Предлагаемое устройство использовано в макете аппаратуры для измерения напряжения переходного процесса, При этом разрешающая способность устройства составляла 16 двоичных разрядов при времени выборки, соответствующему интервалу измерения, равному 1 мс.