Частотный аналого-цифровой преобразователь

(51) 4 Н 03 М /58 ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯК АВТОРСНОМЪ СВИДЕТЕЛЬСТВУ с 43) 4 ГОСУДАРСТЭЕННЫЙ КОМИТЕТПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТНРЫТИЯМПРИ ГННТ СССР(57) Изобретение относится к импульсной технике, в частности к преобра 8015 ОЗО 71 А 1 2зонателям напряжения в цифровой код с промежуточным преобразованием в частоту импульсов. В устройство, содержащее аналоговый переключатель 5, преобразователь 6 напряжения в частоту импульсов, два элемента И 18 и 19, два элемента ИЛИ 23 и 24, два триггера 11 и 12, два одновибратора 15 и 16, первый реверсивный счетчик 8 импульсов, счетчик 7 импульсов и генератор 1 О импульсов, с целью повышения точности введены второй реверсивный счетчик 9 импульсов, три элемента И 20-22, три элемента ИЛИ 25, 26, 27, два триггера 13 и 14 и инвертор 17. 2 ил.3 1503071Изобретение относится к импульснойтехнике, в частности к преобразователям напряжения в цифровой код спромежуточным преобразованием в час 5тоту импульсов.Целью изобретения является повышение точности,На фиг.1 изображена блок-схемааналого-цифрового преобразователя,на фиг,2 - временная диаграмма егоработы,Аналого-цифровой преобразователь(АЦП) содержит входные шины 1-3 дляпреобразуемого опорного напряженияП и для сигнала пуска соответственно, выходные шины 4, аналоговый переключатель 5, преобразователь 6 напряжения в частоту импульсов (ПНЧ),счетчик 7 импульсов, реверсивные 20счетчики 8 и 9, генератор 10 импульсов, триггеры 11-14, одновибраторы15 и 16 иннертор 17, элементы И 1822, элементы ИЛИ 23-27На временной диаграмме фиг.2 обоэначены импульсы 28 на выходе ПНЧ 6,сигнал 29 пуска, сигналы 30-33 - напрямых выходах соответственно триггеров 11-14, импульс 34 на выходеэлемента И 21, сигнал 35 на выходе 30элемента ИЛИ 25, сигнал 36 на выходеинвертора 17, сигнал 37 на ныходеэлемента ИЛИ 26, сигнал 38 на выходеэл .мента 1 ГЧ 23.АЦП работает следующим образом.После включения питания и установки одновибратором 15 в исходное состояние триггеров 11-14 и счетчиков 7и 8 выполняетя однократное преобразование, по окончании которого все 40триггеры вновь устанавливаются в исходное состояние и с помощью переключателя 5 опорное напряжение У подключается на вход ПНЧ 6. Его выходныеимпульсы 28 проходят через элемент 45ИЛИ 24 и запускают одновибратор 16,который сигналом с инверсного выходаустанавливает в исходное состояниесчетчик 9. Сигнал с инверсного выходатриггера 11 поступает через элементИЛИ 27 на вход элемента И 20, поэто 50му импульсы генератора 10 проходятчерез последний на счетный вход счет"чика 9, где они вычитаются, так какэтот же сигнал, проходя через элемент ИЛИ 25 (сигнал 35), включает55в нем режим нычитания. Вычитание импульсов генератора 10 продолжаетсядо по яви е ния оч ер едно го импульса Г по которому счетчик вновь устанавливается в исходное состояние. Такойпроцесс продолжается до поступлениясигнала 29, который запускает одновибратор 15, устанавливающий н исходное состояние счетчики 7 и 8, а также в " 1" триггеры 11 и 12. Сигнал 31с прямого выхода триггера 12 подключает с помощью переключателя 5 навход ПНЧ 6 преобразуемый сигнал С,а сигнал 30 с прямого ныхода триггера 11 разрешает прохождение черезэлемент И 18 импульсов Г от ПНЧ 6на вход счетчика 8. Сигнал 30 поступает также на вход элемента ИЛИ 24и запрещает запуск импульсами 28 одновибратора 16. Снятие сигнала с инверсного выхода триггера 11 и далеес выхода элемента ИЛИ 27 запрещаетпрохождение импульсов генератора 1 Очерез элемент И 20. Поэтому н счетчике 9 фиксируется код п, которыйсоответствует числу импульсов, поступивших н него за время 1, от последнего импульса Р 28 до импульса29 (й, = п /Г),Сигнал с выхода элемента ИЛИ 27проходит через инвертор 17 (сигнал36) и разрешает работу элемента И 18,через который импульсы генератора 10поступают на счетный вход счетчика 7,где они подсчитываются до его переполнения, и по этому сигналу устанавпиваются в "0" триггер 12 и в " 1"триггер 13. Таким образом формируется временной интервал То = пЮ /Г(сигнал 31), в течение которого сигнал Б преобразуется в Р. Сигнал 32с прямого выхода триггера 13 проходит через элемент ИЛИ 27 и разрешаетпрохождение через элемент И 20 насчетчик 9 импульсов от генератора 10,Этот же сигнал, проходя через элемент И 22, открытый сигналом с инверсного выхода триггера 14, и далеечерез элемент ИЛИ 25 (сигнал 35),вновь включает режим вычитания всчетчике 9.Сигнал с выхода элемента И 22 разрешает работу элемента ИЛИ 21, черезкоторый проходит первый импульс 34Р с выхода ПНЧ 6, сформированныйпосле окончания Т в результате преообразования оставшегося заряда отП и от П в течение С . Длительность С равна временному интервалуот отрицательного перепада сигнала31 до импульса 34. За времяв5 150307 счетчике 9 дополнительно вычитается п импульсов (. = п,/Г ) и формируется код (и + и,).5По импульсу 34 заканчивается первый такт преобразования, который выполнялся в течение времени Т, =+ + Т, +. За время Т, сформировано в течение То М, импульсов, а затем еще один импульс после окончания То т.е. (М+ 1) импульсов, которые подсчитаны счетчиком 8.Длительность Т соответствует целому числу импульсов (М, + 1) от ПНЧ 6, поэтому погрешность от квантования при заряде интегрирующего конденсатора ПНЧ 6 в начале и конце Т компенсируется зарядом от 11 за время (С +)В течение Т (М + 1) зарядов 1 скомпенсированы зарядом 20 от Бх за Т и зарядом от 11 за (Е, + ,): (М, + 1)Ч = ЮТ. + Щ . (е, .,).Второй такт Т начинается по имгпульсу Г 34, что исключает погреш ность квантования в формировании Т длительность которого составляет (М, + 1) импульсов Р . Во втором такте (М, + 1) зарядов 1 компенсируется в течение Т зарядом от Бо: (М, + 1)Ч = 30 = ЕНОТ. Формирование Т выполняется с помощью счетчика 8. Сигнал 33 с прямого выхода триггера 14 в счетчике 8 включает вычитание и полученный в первом такте код (М + 1) уменьша 35 ется до нуля с приходом импульсов Р от ПНЧ 6. Выходной сигнал элемента ИЛИ 23 в момент получения нулевого кода отрицательным перепадом устанавливает в О триггеры 11 и 14, что 40 соответствует окончанию Т и процесса преобразования. Величина Т не соответствует результату преобразования Бх, так как в Т, ПНЧ 6, кроме преобразования У, эа Т выполняет еще иопреобразование Бо в течение (.й ), Поэтому при преобразовании Т в код М последний уменьшается на (и, + и ), что соответствует уменьшению Т на ( + ), т.е. Тх = Т - (Е+ с), и получению точного результата Х путем преобразования Т в код. Это .реализуется при помощи счетчика 9, в котором эа С и С. накоплен код (и + п ). Так как сигнал с инверсного выхода триггера 14 с начала Т55 снимается, то отсутствует сигнал на выходе элементов И 22 и ИЛИ 25 и импульсы от генератора 10, поступающие 1 6в счетчик 9, увеличивают этот код до нуля. После поступления (и + и )2 импульсов Го в счетчике 9 устанавливается нулевой код, что соответствует окончанию интервала времени (. + + 1) и вычитанию этого времени иэ Т, и началу Т. В момент образования нулевого кода в счетчике 9 элемент ИЛИ 26 отрицательным перепадом сигнала 37 устанавливает в "0" триггер 13, у которого снятие с прямого выхода сигнала 32 запрещает прохождение через элемент И 20 импульсов на счетчик 9 и разрешает сигналом 36 с выхода инвертора 17 прохождение этих импульсов через элемент И 19 на вход счетчика 7. В этом счетчике за время Т получают результат преобразования Х= ТГ . Получение Х и оконочание преобразования происходит по отрицательному перепаду сигнала 38.Процесс преобразования в АЦП можно описать следующим образом. Из выражений компенсации зарядов в ПНЧ 6 для Т, и Т определяется величина ТМ 11 То + 111 о(+ ) = 1 ЦоТоткуда Т = (Т + С ) +ТБлоВ результате преобразования Т в код М имеем: М = Т Го = (с +У(п+ п,) дает результат преобразования Х . С учетом, что Т = М /Ги / .2 и / величина равна Хг = М. - (и, + п )11 х и+ пгМ и + ---Г - (п + и )11 оа ()Ух 11 х 11 оУЬ фМ ш = , где А =. - квантМош АЦП.В АЦП получают результат преобразования Х с квантом по напряжению6что позволяет увеличить точшфность работы АЦП.Этот вывод сделан на основе при" веденных выражений. Но в них не уч" тены погрешности квантования, обусловленные конечной величиной временного кванта 1/1 при преобразованиии Т в коды п, и, и М , а также при формировании ТС учетом максимальных величин этихпогрешностей имеют место следующие соотношения:(и, +Т, (И+ 1)То = (оПодставляяния преобразовХ результата 1) 1/1 или и йГ +1, 1) 1/Гили п = сп Го - 1, 1/1 или И Т 1 -1 и 1) 1/йэти значения в уравнеания получаем значение преобразования"пп И о +1+ао 1)Б 15 = -.(В т - 1) + 2.11 о оПри преобразовании максимального входного сигнала П = По в результате преобразования Х (П ) может возникнуть наибольшая погрешность 20Х(П) (Мош 1) + 2 = 1 Яош ъПо сравнению с точным результатом ХЙ,)ш в Х Ш) может иметь место погрешность, достигающая трех квантов, что по напряжению соответствует величине о36.Поэтому точность работы предлагаемого АЦП по сравнению с известным увеличивается меньше чем в ш раз. Учитывая что погрешность известногО Зк2 Д = 2 шба оЗд, то погреш 2 ш ность о уменьшается в Ы- разк 3 35 во столько раз увеличивается точность работы АЦП. Таким образом, в предлагаемом АЦП при условии сохранения параметров известного (в части То и Г ) по срав" нению с ним в Ы, раэ повышена точность работы. Формула изобретения Частотный аналого цифровой преоб"45 разователь, содержащий аналоговый переключатель, первый и второй информационные входы которого являются со" ответственно шинами преобразуемого и опорного напряжения, а выход соединен с входом преобразователя напряжения в частоту импульсов, выход которого соединен с первым входом первого элемента И, выход которого соединен со счетным входом первого реверсивного счетчика импульсов, выходы разрядов которого соединены с входами первого элемента ИЛИ, выход которого соединен с К-входом первоготриггера, прямой выход которого соединен с вторым входом первого элемента И, а Б-вход объединен с Б-входомвторого триггера и подключен к прямому выходу первого одновибратора, входкоторого является шиной пуска, а инверсный выход подключен к входу установки в исходное состояние счетчика импульсов, выходы разрядов которого являются выходными шинами, асчетный вход соединен с выходом второго элемента И, первый вход которогоподключен к выходу генератора импульсов, выход переполнения счетчика импульсов соединен с К-входом второготриггера, прямой выход которого подключен к управляющему входу аналогового переключателя, вход второго одновибратора соединен с выходом второго элемента ИЛИ, о т л и ч а ю "щ и й с я тем, что, с целью повышения точности, в него введены второйреверсивный счетчик импульсов, третий, четвертый, и пятый элементы ИПИ,третий, четвертый триггеры, инвертор,выход которого соединен с вторымвходом второго элемента И, а входобъединен с первым входом третьегоэлемента И и подключен к выходу третьего элемента ИЛИ, первый вход второго. элемента И объединен с вторымвходом третьего элемента И, первыйвход третьего элемента ИЛИ объединенс первым входом четвертого элементаИ и подключен к прямому выходу третьего триггера, вход установки в исходное состояние, которого объединен.с одноименными входами первого реверсивного счетчика импульсов, первого, второго и четвертого триггеров, подключен к инверсному выходупервого одновибратора, вход управления реверсом первого реверсивногосчетчика импульсов подключен к прямому выходу четвертого триггера, инверсный выход которого соединен свторым входом четвертого элемента И,К-вход подключен к выходу первогоэлемента ИЛИ, а Б-вход - к выходупятого элемента И, первый вход которого объединен с первым входом четвертого элемента ИЛИ и подключен квыходу четвертого элемента И, второйвход пятого элемента И объединен, спервым входом второго элемента ИЛИи подключен к выходу преобразователянапряжения в частоту импульсов, вто10 20 Составитель Ю.СпиридоновТехред М.дидык Корректор В.Гирняк Редактор Н,Лаз ар енко Заказ 5085/57 Тираж 884 ПодписноеВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР113035, Москва, Ж Раушская цаб., д. 4/5 Производственно-издательский комбинат "Патент", г.ужгород, ул. Гагарина,101 9 150307 рой вход второго элемента ИЛИ подключен к прямому выходу первого триггера, вторые входы третьего и четвертого элементов ИЛИ объединены и5 подключены к инверсному выходу первого триггера, К-вход третьего триггера соединен с выходом пятого элемента ИЛИ, входы которого подключены к выходам разрядов второго ревеосивного счетчика импульсов, счетныйвход которого подключен к выходутретьего элемента И, вход управленияреверсом соединен с выходом четвертого элемента ИЛИ, а вход установкив исходное состояние подключен к выходу второго одновибратора, Я-входтретьего триггера подключен к выходупереполнения счетчика импульсов.