Аналого-цифровой преобразователь

СОЮЗ СОВЕТСКИХСОЦИАЛИСТИЧЕСКИХРЕСПУБЛИК 091 (111 6926 и А. А. Перш но-конструктор венного обнкое бюединен Р3.0.8 видетельство С 03 К 13/20ОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР О ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИ ОПИСАНИЕ ИЗОБ АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВ(54) (5) АНАЛОГО-ЦИФРОВОЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ по авт. св.984041, отличающийся тем, что, с целью расширения функциональных возможностей, введены три дополнительных счетчика и три дополнительных триггера, выходы которых соединены с третьими входами регистра памяти, первые входы - с выходом четвертого триггера и с первыми входами дополнительных счетчиков, а вторые входы - с выходами дополнительных счетчиков соответственно, вторые входы которых соединены с выходом шестого счетчика, а третьи входы с соответствующими шинами задания порога.Изобретение относится к импульсной технике и может быть использовано в приборостроении для связи первичных измерительных преобразователей физических параметров с цифровыми устройствами обработки информации автоматизированных систем управления. По основному авт. св. Хо 984041 известен аналого-цифровой преобразователь, содержаший семь счетчиков импульсов, восемь элементов И, четыре формирователя импульсов, четыре триггера, элемент ИЛИНЕ, делитель частоты на два, элемент ИЛИ, ждущий мультивибратор, два клю. ча, блок управления записью в регистр нуля, потенциометр, резистор, конденсатор, регистр нуля, регистр памяти, два блока сравнения напряжений, первый вход первого из которых соединен с входной шиной, выход подключен к входу первого формирователя импульсов, первый вход второго блока сравнения подключен к движку потенциометра, вторые входы первого и второго блоков сравнения подключены к выходу первого ключа, входу второго ключа и первой обкладке конденсатора, вход первого ключа через зарядный резистор подключен к шине источника опорного напряжения и к первому выводу потенциометра, второй вывод которого, вторая обкладка конденсатора и выход второго ключа соединены с обидней шиной, выход второго блока сравнения через второй формирователь импульсов подключен к первому входу первого триггера, второй вход которого соединен с вторыми входами второго и третьего триггеров, подключен к второму входу первого элемента И и второму входу третьего элемента И, второй выход первого триггера подключен к второму входу четвертого элемента И, выход которого подключен к второму входу элемента ИЛИ-НЕ, первый выход второго триггера подключен к второму входу второго элемента И и первому входу третьего элемента И, выход которого соединен с первым входом элемента ИЛИ-НЕ, выход которого подключен к третьим входам первого и второго элементов И и к входу третьего формирователя импульсов, выход которого соединен с входом ждущего мультивибратора, входом Запись третьего счетчика импульсов и первым входом третьего триггера, первый и второй выходы которого подключены соответственно к входам второго и первого ключа, шина импульсов опорной частоты подключена к первым входам первого и второго элементов И, выходы которых подключены соответственно к суммируюшему и вычитающему входам первого счетчика импульсов, разрядные выходы которого соединены с соответствуюшими входами второго счетчика импульсов, счетный вход которого подключен к шине импульсов тактовой 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 частоты, выходы разрядов третьего счетчика импульсов подключены к соответствуюшим шинам, а выход соединен со счетным входом седьмого счетчика импульсов, выходы разрядов которого подключены к соответствуюшим вторым входам регистра памяти, выход второго счетчика импульсов соединен с первым входом седьмого элемента И и с входом делителя частоты на два, выход которого подключен к счетному входу четвертого счетчика импульсов, выход которого соединен с первым входом девятого элемента И, выход которого соединен с вторым входом элемента ИЛИ, выход которого подключен к вы читающему входу третьего счетчика импульсов, суммирующий вход которого соединен с выходом седьмого элемента И, выходы переноса-и + третьего счетчика импульсов соединены соответственно с первым входом четвертого триггера и первым входом второго триггера, второй выход которого подключен к вторым входам седьмого и девятого элементов И, выходы разрядов третьего счетчика импульсов подключены к соответствующим входам пятого счетчика импульсов и регистра нуля, выходы разрядов которого соединены с соответствующими входами третьего счетчика импульсов, выход первого формирователя импульсов соединен с входом Запись пятого счетчика импульсов и вторым входом блока управления записью в регистр нуля, первый вход которого соединен с шиной импульса установки нуля, а выход подключен к входу Запись регистра нуля, выход переноса-пятого счетчика импульсов соединен с первым входом регистра памяти и входом четвертого формирователя импульсов, выход которого соединен с вторым входом первого триггера, входами Сброс третьего и четвертого счетчиков импульсов и вторым входом четвертого триггера, выход которого подключен к входу Сброс седьмого счетчика импульсов 111.Недостатком известного изобретения являются ограниченные функциональные возможности при использовании его, например, в системе дозирования сыпучих материалов. В таких системах в условиях связанного многокомпонентного весового дозирования требуется следить за работой нескольких тензодатчиков, аналоговые сигналы с которых несут информацию о массе дозируемого материала. Избыточность или отсутствие материала на таре, а также достижение измеряемой массы определенного промежуточного значения являются оперативной информацией, которая должна поступать незамедлительно к оперативному или в АСУ ТП, что требует создание сложной схемы в случае аппаратной реализации анализа кода с аналого-цифрового преобразователя.Цель изобретения - расширение функциональных возможностей преобразователя.5 О 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Поставленная цель достигается тем, что в известный преобразователь введены три дополнительных счетчика и три дополнительных триггера, выходы которых соединены с третьими входами регистра памяти, первые входы - с выходом четвертого триггера и с первыми входами дополнительных счетчиков, а вторые входы - с выходами дополнительных счетчиков соответственно, вторые входы которых соединены с выходом шестого счетчика, а третьи входы с соответствующими шинами задания порога.На чертеже представлена функциональная схема устройства,А н алого-цифровой п реобр азов а тел ь содержит счетчики 1 - 7 импульсов, элементы 8 - 16 И, первый и второй блоки 17 и 18 сравнения напряжений, формирователи 19 - 22 импульсов, триггеры 23 - 26, элемент 27 ИЛИ-НЕ, делитель 28 частоты на два, элемент 29 ИЛИ, ждуший мульти- вибратор 30, ключи 31 и 32, блок 33 управления записью в регистр нуля, потенциометр 34, резистор 35, конденсатор 36, регистр 37 нуля, регистр 38 памяти, дополнительные счетчики 39-41, дополнительные триггеры 42 - 44. Первый выход первого блока 17 сравнения напряжений соединен с входной шиной, а выход с входом первого формирователя импульсов, первый вход второго блока 18 сравнения напряжений соединен с движком потенциометра 34, вторые входы первого и второго блоков сравнения подключены к выходу первого ключа 32, входу второго ключа 31 и первой обкладке конденсатора 36, выход первого ключа 31 через резистор 35 подключен к шине источника опорного напряжения и к первому выводу потенциометра 34, второй вывод которого, вторая обкладка конденсатора и выход второго ключа соединены с об 1 цей шиной, выход второго блока 18 сравнения, через второй формирователь 21 импульсов подключен к первому входу первого триггера 25, второй вход которого соединен с вторыми входами второго 24 и третьего 23 триггеров, первый выход первого триггера подключен к второму входу первого элемента 9 И и второму входу третьего элемента 10 И, второй выход первого триггера 25 подключен к второму входу элемента 27 ИЛИ-НЕ первый выход второго триггера 24 подключен к второму входу второго элемента 8 И и первому входу третьего элемента 1 ОИ, выход которого соединен с первым входом элемента 27 ИЛИ-НЕ, выход которого подключен к третьим входам первого и второго элементов И и по входу третьего формирователя импульсов, выход которого соединен с входом ждущего мультивибратора, входом Запись третьего счетчика 3 импульсов, первым входом третьего триггера 23, первый и второй выходы которого соединены соответственно с входами второго 31 и первого 32 ключа, шина импульсов опорной частоты подключена к первым входам первого и второго элементов И, выходы которых соединены соответственно с суммирующим и вычитающим входами первого счетчика 1 импульсов, разрядные выходы которого соединены с соответствующими входами второго счетчика 2 импульсов, счетный вход которого соединен с шиной импульсов тактовой частоты, выходы разрядов третьего 3 счетчика соединены с соответствующими входами четвертого счетчика 4, первый выход первого триггера 25 соединен с третьим входом пятого элемента 16 И, второй вход которого соединен с выходом ждущего мультивибратора 30, а выход соединен с вторыми входами шестого 12 и восьмого 14 элементов И, выходы которых соединены соответственно с вычитающим входом пятого счетчика и первым входом элемента 29 ИЛИ, а первые входы - к шине импульсов тактовой частоты и счетному входу шестого счетчика 6 импульсов, разрядные входы которого соединены с соответствующими масштабирующими шинами, а выход соединен со счетным входом седьмого счетчика 7 импульсов, выходы разрядов которого соединены с соответствующими вторыми входами регистра памяти, выход второго счетчика 2 импульсов соединен с первым входом седьмого элемента, 13 И и с входом делителя частоты 28 на два, выход которого подключен к счетному входу четвертого счетчика 4 импульсов, выход которого соединен с первым входом элемента 29 ИЛИ, выход которого подключен к вычитающему входу третьего счетчика 3 импульсов, суммирующий вход которого соединен с выходом седьмого элемента 13 И, выходы переноса - и + третьего счетчика 3 импульсов соединены соответственно с первым входом четвертого триггера 26 и первым входом второго триггера 24, второй выход которого подключен к вторым входам седьмого 13 и девятого 15 элементов И, выходы разрядов третьего счетчика 3 импульсов подключены к соответствующим входам пятого счетчика 5 импульсов и регистра 37 нуля, выходы разрядов которого соединены с соответствуюгцими входами третьего счетчика 3 импульсов, выход первого формирователя 20 импульсов соединен со входом Запись пятого счетчика 5 импульсов и вторым входом блока 37 управления записью в регистр нуля, первый вход которого соединен с шиной импульсов установки нуля, а выход подключен к входу Запись регистра нуля, выход переноса-пятого счетчика 5 импульсов соединен с первым входом регистра памяти и входом четвертого формирователя 22импульсов, выход которого соединен с вторым входом первого триггера 25, входами Сброс третьего и четвертого счетчиков импульсов и вторым входом четвертого триггера 26, выход которого соединен с входом Сброс седьмого счетчика 7 импульсов.Устройство работает следующим образом.Начало цикла преобразования определяется моментом появления импульса на выходе формирователя 22. Этим импульсом триггеры 23 - 26 устанавливаются в исходное состояние и осуществляется сброс счетчиков 3 и 4. Сигнал 1 с второго выхода триггера 24 поступает на вторые входы элементов 13 и 15 И, разрешая прохождение частоты 1, с выхода счетчика 2 через элемент 13 И на суммирующий вход счетчика 3 и частоты 1 з с выхода счетчика 4 через элементы 15 И и 29 ИЛИ на вычитающий вход счетчика 3. В начальный момент времени частота 1 з, зависящая от величины кода в счетчике 3, равна нулю. Код М в счетчике 3 начинает нарастать со скоростью, определяемой частотой 1 ь По мере роста кода Я увеличивается частота 1 з на выходе счетчика 4, которая, поступая на вычитающий вход счетчика 3, замедляет скорость нарастания кода М. Таким образом, за счет цепи обратной связи включающий делитель 28, счетчик 4, элементы 15 И и 29 ИЛИ, код М в счетчике 3 нарастает по экспоненциальному закону.Сигнал 0 с первого выхода триггера 23 размыкает ключ 32, а сигналс второго выхода этого триггера замыкает ключ 31, Конденсатор 36 начинает заряжаться через резистор 35 током источника опорного напряжения. Причем заряд конденсатора 36, напряжение на котором изменяется по экспоненциальному закону, начинается одновременно с началом формирования цифровой экспоненты.Во время формирования обеих экспонент частота 1, определяющая скорость нарастания цифровой экспоненты, остается неизменной, так как на входы элемента 10 И с первых выходов триггера 24 и 25 поступают сигналы 1.С выхода элемента 10 И сигнал 1 подается на вход элемента 27 ИЛИ-НЕ, 0 с выхода которого поступает на третьи входы элементов 8, 9 И, запрещая прохождение импульсов частотой 1 о на суммирующий и вычитающий входы счетчика 1, код 1. в счетчике 1, который определяет величину частоты 1, не изменяется. Изменение частоты 1, автоматически осуществляемое схемой преобразователя с целью сложения цифровой экспоненты за аналоговой, производится после окончания одной из экспонент.При равенстве входного напряженияс напряжением на конденсаторе 36срабатывает блок 17 сравнения напряжения,сигнал с выхода которой через формирователь 20 производит запись мгновенногозначения кода из счетчика 3 в счетчик 5. Кодв счетчике 5 хранится до момента окончания обеих экспонент, после чего с нимпроизводятся операции вычитания нулевого кода и масштабирования.10 Во время заряда конденсатора 36 напряжения на нем изменяется по закону-2Ч=Ъо (1 -),где 1 - текущее время;Т - постоянная времени аналогового ге 15 нератора заряда конденсатора 36;Чо - опорное напряжение.В счетчике 3 код изменяется по закону.Я=но(1 - Г 1где Тц - постоянная времени цифрового генератора;20Мо - код, к которому стремится цифровая экспонента,Подставляя 1= - Т 1 п (1 - Ц-),оЯ=Хо 1 - (1 - ) ".Отсюда видно, что Т, = Тполучаетсялинейная зависимость кода в счетчике 3от напряжения на конденсаторе 36.30 р М,у Яру14 ВвЧастота 1 на выходе счетчика 2 определяется выражениемо 1,Яаггде 1. - код в счетчике 1;35 пз - число разрядов счетчика 2.12= к 11,где К - коэффициент, показывающий восколько раз частота 1 з меньшечастоты (ь40 На выходе счетчика 4 импульсы следуют с частотой 45 1 з= -где М - код в счетчике 3;п 4 - число разрядов счетчика 4.В установившемся режиме Но=Я; 1=(зг ЪХ= - .ВВыбрав объем счетчика 2" =0,5 Яо,где пз - число разрядов счетчика 3, получим502Если объемы всех счетчиков одинаковы,тоК=0,5.В схеме преобразователя частоту Ь=0,51получают при помощи делителя 28 час 55 тоты. Получим выражение для постояннойвремени цифрового генератора.В начальный момент времени циклапреобразования код в счетчике 3 Я=О,поэтому частота 1 з на выходе счетчика 4 равна нулю. Скорость нарастания кода в счетчике при (=0 определяется только частотой 1ЙКЯоЮГ 1ОтсюдалТ = ИЛИ Тп= -- -Изменяя величину кода 1. в счетчике 1,можно изменять постоянную времени цифрового генератора.После включения питания преобразователя изменяют Тцтаким образом, чтобы выполнилось равенство1= (ц,где Ь - время от начала формированияаналоговой экспоненты до моментасравнения ее с пороговым напряжением 11 поР(и - время от начала формированияцифровой экспоненты до моментаДОСтИжЕНИЯ ЕГО ВЕЛИЧИНЫ МпоР.МпоР= 110 1 (1 )ВЕЛИЧИНа МпоР ОПрЕдЕЛяЕтСя ОбЪЕМОМсчетчика 3, равным 0 5 Мо, т. е. импульс переноса + счетчика 3 соответствует моменту достижения цифровой экспонентой величины Мо -- 0,5 И, получим0,5 МО=Ъ 11 - (1 - у, ) ;,1Для получения линейной зависимостикода в счетчике 3 от напряжения на конденсаторе 36 необходимо, чтобы и= 1.Тогда УпоР=0,5 ЧО.Величина порогового напряжения 0 поРустанавливается при помощи потенциометра 34.Изменение постоянной времени Тп цифрового генератора производят следующим образом. Предположим, что (и оказалосьбольше Ь. В этом случае импульс сравнения аналоговой экспоненты с величиной.Чр на выходе элемента 18 сравнениянапряжений появляется раньше, чем импульс сравнения цифровой экспоненты с М,с выхода переноса + счетчика 3. Импульс с выхода блока 18 сравнениянапряжений переводит триггер 25 в единичное состояние по первому выходу.Триггеры 25 и 26 оказываются в противоположных состояниях, на выходах элементов 1 О и 1 И будут О. На выходеэлемента 27 ИЛИ-НЕ появляется 1,На второй вход элемента 8 И подается1 с первого выхода триггера 25, поэтому последовательность импульсов частоты1 о проходит через элемент 8 И на суммирующий вход счетчика 3, а через элемент 9 И не проходит, так как онзакрыт по второму входу.После окончания цифровой экспонентыимпульс с выхода переноса + счетчика3 переводит триггер 24 в единичноесостояние по первому выходу, на выходеэлемента 27 ИЛИ-НЕ появляется О, 67699 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 8запрещающий прохождение частоты 1 о через элементы 8, 9 И. Таким образом, частота 1 О поступает на суммирующий вход счетчика 1 в течение времени 1 - Ь, код 4 в счетчике 1 увеличивается, поэтому в следующем цикле преобразования цифровая экспонента будет нарастать с меньшей постоянной времени Тп и раньше достигнет величины М 1 Р, время 1 уменьшится. Если 1 п было значительно больше 1 п, что возможно сразу после включения источника питания, то необходимы несколько циклов преобразования для уменьшения Тп, чтобы выполнялось равенство.1 п=1,В случае, когда (ц окажется меньше на время 1 - (и, будет открыт элемент 9 И. Импульсы с частотой 1 будут поступать на вычитающий вход счетчика 1, уменьшая код в нем и, следовательно, увеличивая постоянную времени Тп.В момент окончания второй экспоненты (цифровой или аналоговой) на выходе элемента 27 ИЛИ-НЕ формируется отрицательный перепад напряжения, по которому формирователем 19 формируется импульс, производящий запись кода 1 Ч на регистре 37 нуля в счетчик 3 и переводящий триггер 23 в единичное состояние по первому выходу. 1 с первого выхода триггера 23 замыкает ключ 32, а О с второго выхода этого триггера размыкает ключ 31, начинается разряд конденсатора 36. Время заряда конденсатора 36 определяется длительностью импульса ждущего мультивибратора 30, который также запускается импульсом с выхода формирователя 19, и временем счета в режиме вычитания счетчика 5. На второй и третий входы элемента 16 Ипосле окончания импульса ждущего мультивибратора 30 на первом выходе элемента16 И также появляется 1 и разрешаетсяпрохождение импульсов частоты 1 О на вычитающие входы счетчиков 3 и 5. Так как всчетчике 3 записан код Х 4 из регистра 37нуля, соответствующий исходному значениювходного сигнала, а в счетчике 5 - код,соответствующий текущему значению 0 п,то импульс с выхода переноса-счетчика 3 появится раньше, чем с выходапереноса счетчика 5,Импульсом переноса счетчика 3 триггер26 переводится в нулевое состояние повторому выходу, снимается сигнал Сбросс входа счетчика 7, и в течение времени1= --- в этом счетчике производитсяЯ-Мнабор кода с частотой14 - 1 оМ2 псгде М - код, подаваемый на разрядныевходы счетчика 6 с масштабногопереключателя;пб - число разрядов счетчика 6.Импульсом переноса счетчика 5 производится запись кода из счетчика 7 в регистр 38 памяти. Величина кода, записанного регистр 38 памяти и являющегося выходным кодом преобразователя, определяется выражениемЯвых - 14 1 в ( 11 114)Запись кода, соответствующего исходному значению входного напряжения У 1 вх н, в регистр 37 нуля производится по приходу импульса установки нуля. Этот импульс подготавливает блок 33 управления записью в регистр нуля, который пропускает только первый после прихода сигнал установки нуля импульс сравнения аналоговой экспоненты с входным напряжением на вход записи регистра 37 нуля, осуществляя запись мгновенного значения кода М 4 из счетчика 3 в регистр 37 нуля в счетчик 5. Выходной код 1 Ч равен нулю, В дальнейшем во всех циклах преобразования код вычитается из кода 1 Ч, соответствующего измеряемому значению 3.Последовательность импульсов частоты 1 заполняет дополнительные счетчики 39 - 41 с переменными коэффициентами деления. Коэффициенты деления, устанавливаемые на дополнительных счетчиках 39 - 41, задают границы контролируемых диапазонов преобразования. Дополнительный счетчик 39 служит для задания максимального порога, дополнительный счетчик 40 - минимального порога, Максимальному значению установленного диапазона будет соответствовать частота 1 минимальному - 1 ы, промежуточному - 1. Таким образом, условие нахождения преобразованной величины в установленном диапазоне можно представить в виде выражения1 пип141 вахПричем, для задания максимального порога на дополнительном счетчике 39 устанавливается такой коэффициент деления, при котором в результате заполнения счетчика импульсами с частотой 14 перейос из счетчика появляется только в том случае, когда 14) 1 а, т. е., когда значение преобразованной величины больше значения установленного максимального порога. Отсутствие переноса из счетчика свидетельствует о том, что значение преобразованной величины меньше значения установленного максимального порога, т. е.141 ввх.Для задания минимального порога на дополнительном счетчике 41 устанавливается такой коэффициент деления, при котором в результате заполнения счетчика импульсами с частотой 1 перенос из счетчика появляется только в том случае, когда 14)Ь 1, т. е., когда значение преобразованной величины больше значения минимального порога, Отсутствие же переноса является условием того, что преобразованная величина меньше установленного минимального 5 10 15 20 25 зо 35 40 45 50 55 порога, т. е. 14(1 ып, Таким образом, отсутствие переноса на счетчике 39 и наличие переноса на дополнительном счетчике 41 является условием того, что преобразованная величина находится в установлен. ном диапазоне, т. е, выполняется условие1 Вп(14(1 п 3 ВхДля задания промежуточного порога на счетчике 40 устанавливается такой коэффициент деления, при котором в результате заполнения счетчика импульсами с частотой 14 перенос из счетчика появляется только в том случае, когда 14)14, т, е., когда значение преобразованной величины больше или равно значению установленного промежуточного порога. Отсутствие переноса из счетчика свидетельствует о том, что значение преобразованной величины меньше значения установленного промежуточного порога, т. е.14(14, причем для 14 всегда должно выполняться условие 1 щп(14(1 вах, цикл заполнения счетчиков начинается с появления импульса Сброс. Этим импульсом дополнительные триггеры 42 - 44 устанавливаются в исходное состояние, а также происходит сброс дополнительных счетчиков 39 - 41. Затем начинается заполнение счетчиков импульсами с частотой 14. Переносы с дополнительных счетчиков 39 - 41 записываются соответственно в дополнительные триггеры 42 - 44. При наличии переноса на входе триггера в него записывается , а в случае отсутствия переноса триггер остается в исходном состоянии, т. е. на выходе триггера содержится О. После заполнения счетчиков в течение времени 1= ---Я-ЯЬ по сигналу Запись производится запись состояния дополнительных триггеров 42 - 44 в регистр 38. Причем наличие на выходе дополнительного триггера 42 и соответственно на одном из входов регистра памяти 38 сигнала 1 свидетельствует о выходе величины преобразования за максимальное установленное значение диапазона. Отсутствие на выходе дополнительного триггера 44 и соответственно на одном из входов регистра памяти1 свидетельствует о выходе преобразованной величины за минимальное установленное значение диапазона. Наличие на выходе дополнительного триггера 43 и соответственно на одном из входов регистра памяти 38 сигнала 1 свидетельствует о том, что преобразованная величина либо равна, либо больше величины промежуточного значения. При этом информация с дополнительных триггеров 42 - 44 о нахождении преобразованной величины в установленном диапазоне поступает в регистр памяти 38 одновременно с кодом преобразованной величины по сигналу Запись.Технико-экономический эффект заключается в расширении функциональных возможностей преобразователя.