Аналого-цифровой интегрирующий преобразователь с автоматическим выбором диапазона преобразования

ТОРСИОМУ ЕТЕПЬСТВ мпульс - повыа, Этотво,аци 5,ен 5. ий фроканапряэлеедены нс лющраклю:В ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССРПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ(56) Патент СЦ 1 А 9 3772683,кл, Н 03 К 1 3/02, опублик. 19Коломиец О. М. Автоматичесвыбор диапазона измерений в цвых приборах, М.: Наука, 1980100, рис. 49.(54) АНАЛОГО-ЦИФРОВОЙ ИНТЕГРИР 1 ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ С АВТОМАТИЧЕСКИМ ВЫБОРОМ ДИАПАЗОНА ПРЕОБРАЗОВАНИЯ (57) Изобретение относится к и ной технике. Цель изобретения шение быстродействия устройств достигается тем, что в устройс содержащее два ключа 1,2, опер онный усилитель 3, конденсатор 7- ключ 6 обратной связи, два бло сравнения 7,8, блок 4 опорных жений, два КЯ-триггера 10,11, мент И, генератор 15 тактовых пульсов, два счетчика 12,13, в пдополнительных (накопитель элементов, выполненных на конд торах 16, идополнительных к чей 17 обратной связи, два деш тора 18,19, идополнительнь чей. 2 ил.Изобретение относится к импульсной технике и может быть использовано в адаптивных измерительных устройствах с цифровым выходом, например в цифровых вольтметрах с автоматическим выбором пределов измерения.На фиг. 1 приведена функциональная схема устройства; на фиг, 2 временные диаграммы работы устройства,Устройство содержит и+1 ключей 1,токоограничивающий элемент, выполненный на резисторе 2, операционныйусилитель 3, блок 4 опорных напряжений, накопительный элемент, выполненный на конденсаторе 5, ключ 6 обратной связи, блоки 7 и 8 сравнения,источник 9 порогового напряжения,первый 10 и второй 11 КБ-триггеры,первый 12 и второй 13 счетчики, элемент И 14, генератор 15 тактовых импульсов, дополнительные инакопительныеэлементы, выполненные на конденсаторах 1 б, дополнительные иключи 17обратной связи, второй 18 и первый19 дешифраторы,Устройство работает следующим об-,разом,В исходном состоянии первый 11 ивторой 12 05-триггеры находятся внулевом состоянии, ключи 6 и 17замкнуты, чему Соответствуют высокие уровни напряжений на управляющих входах этих ключей (фиг. 2),ключи 1 разомкнуты, Напряжение навыходе операционного усилителя 3и конденсаторах 5,16 равно О. Навыходах первого 12 и второго 13счетчиков имеются сигналы, соответствующие коду выбранного диапазонаи коду преобразуемого напряжения,полученные в результате последнегоперед этим преобразования,В момент времени С, (фиг. 2)на вход "Пуск" приходит импульс запуска АЦП, который сбрасывает в "О"счетчики 12 и 13. По окончании импульса в момент времени С и 1 ервыйКБ-триггер 1 О устанавливается в н 1 исостояние, при этом сигналом с инверсного выхода закрывается ключ 6,а сигналом с выхода элемента И 14открывается первый ключ 1, и преобразуемое напряжение П подаетсяна вход операционного усилителя 3. 55На входе разрешения счета второгосчетчика 13 появляется сигнал, позволяющий этому счетчику подсчитывать число импульсов, приходящихна счетный вход с выхода генератора15, При этом емкость счетчика 13выбрана. таким образом, что его полное заполнение импульсами генератора 15 до переполнения производитсяза время Т, равное базовому времениинтегрирования преобразуемого сигнала Б. На второй вход второго дешифратора 18 приходит сигнал "Лог, 1",а на первые входы поступает с выхода первого счетчика 12 код нуля.В соответствии с таблицей истинности на всех выходах дешифратора 18появляется сигнал "Лог. О и вседополнительные ключи 17 размыкаются. Таким образом, в момент временив обратную связь операционногоусилителя 3 включен только один конденсатор 5 и напряжение на выходеоперационного усилителя 3 начнетизменяться по законуЦ = --- -Б с 1 с) КС 3 , ф (1)огде К - сопротивление резистора 2;С - емкость конденсатора 5.В течение времени (е, -) производится интегрирование с наименьшейпостоянной времени, В момент времени , (фиг. 2) напряжение П (с)достигнет величины напряжения Писточника 9. При этом на выходе блока 8 появится сигнал "1" и содержимое первого счетчика 12,увеличится на единицу, Изменение кода навыходе счетчика 12 вызовет появление сигнала "1" на первом выходедешифратора 18 и замыкание первогодополнительно ключа 17, При этомпараллельно конденсатору 5 подключится первый дополнительный конденсатор 16 (емкостью С, ). Напряжениена выходе операционного усилителя 3из-за перераспределения зарядов наемкостях уменьшится скачком до величиныП ( )-П 1- ) з - л а.=С П( )зь2 С+С, ы,этот момент времени Сдо срабатывания первого дополнительного ключа 17;индекс "+" соответствует моментувремени после срабатывания ключа 17.Так как напряжение П(С )0блок 8 приходит в исходное состояние, 1251324Если подставить (1) в (2), то получимгН(с) = ----- - 11 с 1 е, (3)2+ К(С +С )1 5 г,е, напряжение на выходе операционного усилителя в момент времени с имеет значение, соответствующее интегрированию напряжения У с постоянной К (С, +С, ) с момента времени С . Напряжение на выходе интегратора начнет изменяться по закону111 (2)= ----- "Б ЙС пРи.(С,.С,)1)С (4)Таким образом, преобразователь переходит на второй диапазон преобразования,В момент евремени 1 напряжение на выходе операционного усилителя 3 снова достигнет значения Б, , что приведет к срабатыванию блока 8 и в счетчик 12 запишется уже число "2". При этом замкнется второй дополнительный ключ 17 и напряжение на выходе операционного усилителя 3 начнет изменяться таким образомК(С С С )при)(5) ЗО т.епреобразователь перешел на третий диапазон.Подобное же переключение произойдет и в момент времени 4 (фиг. 2). К моменту окончания импульса Т (мо- З 5 мент времени 1) на выходе операционного усилителя 3 будет напряжение15йс=К(С +С +С +С )хс4011 х 1 Т хК(С, +С, +С, +С., ) (6) В первом счетчике 1 О будет записано число "3" и он будет выдавать код, соответствующий четвертому диапазону преобразования.В момент времени , (фиг. 2) импульс с выхода "переполнение" счетчика 13 установит в единичное состояние второй КБ-триггер 11, при этом сигналом с выход 8 элемента И 14 закроется первый ключ 1, а на второй вход первого дешифратора 19 с прямого выхода КБ-триггера 11 приходит единичный сигнал и на выходе дешифратора 19 соответствующему выбранному в результате преобразования диапазону (коду с выхода счетчика 9) появляется сигнал, открывающий соответствующий ключ 1, Таким образомк интегратору подключается блок 4.В рассматриваемом примере, так какбыл выбран четвертый диапазон черезОрезистор 2 потечет ток, равный -.Опорное напряжение имеет знак, обратный знаку преобразуемого напряжения, Поэтому напряжение на выходе операционного усилителя 3 начнет падатьЯтК(С,+С, +С +С,)Б"+ (с С ) при Т С)1 (7)Как только напряжение на выходе операционного усилителя 3 станет равным О, напряжение на выходе блока 7упадет до низкого уровня и переведетКЯ-триггеры 10 и 11 в нулевое состояние,При этом на вторые входы дешифраторов 18 и 19 придет сигнал "О",дешифратор 19 закроет соответствующий ключ 1, на вход операционногоусилителя 3 прекратится подача опорного напряжения с выхода блока 4,На вход "Разрешение счета" второгосчетчика 3 с прямого выхода КБ-триггера 1 О придет сигнал, запрещающийподсчет этим счетчиком импульсов сгенератора 15. Код на выходе счетчика 3 соответствует длительности импульса на прямом выходе второготриггера 11, которая пропорциональна преобразуемому напряжению Ухфкак видно иэ следующего выражения,получаемого из (7)Ох Т(8)а 1Таким образом, на выходе АЦП (выходах первого 12 и второго 13 счетчиков) по окончании времени преобразования образуется код, соответствующий величине 11 , при этом на выходах счетчика 12 будет код номера диапазона преобразования, а на выходах счетчика 13 - код величины Б внутх, ри этого выбранного диапазона.На фиг. 2 показан также процесс преобразования напряжения Ух меньшего, чем Ух , начиная с момента времени й, . В этом случае преобразование производится на третьем диапазоне, при этомТ11 х Т12513 1 О 3Таким образом, в аналого-цифровом преобразователе с автоматическим выбором диапазона преобразования выбор диапазона происходит одновременно с преобразованием, что повышает быстродействие устройстваФормула изобретения Аналого-цифровой интегрирующий преобразователь с автоматическим выбором диапазона преобразования, содержащий накопительный элемент, выполненный на конденсаторе, токоограничивающий элемент, выполненный на резисторе, первый ключ, вход которого является входной шиной, а выход объединен с выходом второго ключа и соединен с первым выводом резистора вход второго ключа соединен с первым выходом блока опорных напряжений второй вывод резистора соединен с входами операционного усилителя ключа обратной связи и первой обкладкой конденсатора, вторая обкладка которого объединена с выходами операционного усилителя ключа обратной связи и соединена первыми входами первого и второго блоков сравнения, второй вход последнега является общей шиной, а выход соединен с К-входами первого и второго КБ-триггеров, второй вход первого блока сравнения соединен с выхо 35 дам источника порогового напряжения Б-вход первого КБ-триггера является шиной "Пуск", а прямой выход соединен с первым входом элемента И, первый и второй счетчики импульсов, вы 40 ходы первого счетчика импульсов,являются первыми выходными шинами, гав нератор тактовых импульсов, а т л и ч а ю щ и й с я тем, что, с целью повышения быстродействия, введены45 идополнительных ключей, идополнительных ключей обратной связи, идополнительных накопительных элементов, выполненных на конденса"ТО 7 Лх; где и - число диапазонов преобразования, два дешифратора, и выходов первого дешифратора соединены с соответствующими иуправляющими входами идополнительныхключей,- и-й выход первого дешифратора. соединен с управляющим входомвторого ключа, выход которого объединен с выходами идополнительныхключей, входы которых соединены ссоответствующими вторыми выходамиблока опорных напряжений, первыевходы первого дешифратора объединены поразрядно с первыми входами второго дешифратора и соединены паряэрядно с выходами первого счетчикаимпульсов, второй вход первого дешифратора соединен с прямым выходам второго КБ-триггера, инверсныйвыход которого соединен с вторымвходом элемента И выход которогосоединен с управляющим входом первого ключа, Б-вхад второго КБ-триггерасоединен с выходом переполнения второго счетчика импульсов, выходы которого являются вторыми выходнымишинами, а счетный вход соединен свыходом генератора тактовых импульсов, разрешаюций вход второго счетчика импульсов объединен с вторымвходом второго дешчфратора и соединен с прямым выходом первого КБтриггера, вход сброса первого счетчика импульсов объединен с входомсброса второго счетчика импульсови является шиной Пуск", а счетныйвход первого счетчика импульсов соединен с выходом первого блока сравнения, управляющие входы идополнительных ключей обратной связи соединены с соответствующими выходамивторого дешифратара, выходы идополнительных,ключей обратной связиобъединены с выходом операционногоусилителя., а вход каждого из и дополнительных ключей обратной связи через дополнительный конденсаторобъединен с входом операционногоусилителя,251324 ЕоРРуж" ЮгРерсь юй дюхаРРв.лщгеераУР 9 юхоУ ялеженлта УФ ЮрочкойдыхаРглриееера 1 РюхаР силюоеля/еигуррат78 у 78 ставитель А, Титовехред Л. Сердокова Корректор А. Редактор Н, Слободяни учар Тираж 81 б ВНИИПИ Государственного комитета С по делам изобретений и открытий 13035, Москва, Ж, Раушская наб, аказ 4426/5 ПодСР 4/5 оиэводственно-полиграфическое предприятие, г. Ужгород, ул, Проектная