Аналого-цифровой преобразователь с частотным преобразованием

(51 М 1 ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯН А ВТОРСНОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУВИФ ЪФ на аботыГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМПРИ ГКНТ СССР(71) Всесоюзный научно-исследователь ский институт электромеханики (72) Л,М, Лукьянов и А.П. Телепин (53) 681.325(088.8)(56) Авторское свидетельство СССР Р 1150769, кл. Н 03 М 1/60, 1983.Авторское свидетельство СССР 9 1285600, кл, Н 03 М 160, 1985,(57) Изобретение относится к импуль ной технике, в частности к преобразователям напряжения в цифровой код с промежуточным преобразованием напряжения в частоту импульсов, и может быть испоиьзовано в устройствах сбора аналоговой информации различных систем контроля и управления технологическими процессами. Недостатком известного аналого-цифровог Изобретение относится к импульсной технике, в частности кпреобразователям напряжения в цифровой код с промежуточным преобразованием в частоту импульсов.Цель изобретения - повышение точ ности преобразования,На фиг. 1 изображена блок-схема предлагаемого аналого-цифрового пре образователя (АЦП); на фиг. 2 - блок-схема блока синхронизации фиг. 3 - временные диаграммы р АЦП. преобразователя (Щ 1) является наличие погрешностей, возникающих при изменении частоты помехи, в течение длительности которой выполняется пре.образование сигнала. Целью изобретения является повышение точности преобразователя за счет уменьшения влияния на результат преобразования этих погрешностей. АЦП содержит преобразователь напряжения в частоту импульсов с входным аналоговым переключателем, вычитатель с ключом, Ь три счетчика, два триггера, блоксинхронизации, одновибратор, элементы И, ИЛИ, генератор и формирователь импульсов, нуль-орган, Новым является введение триггера, двух одновибраторов и элементов И и ИПИ, благодаря которым в АЦП исключено влияние на результат преобразования изменения времени измерения, которое задается от внешней синхронизации, и тем са мым повышается точность АЦП. 1 з.п.ф-лы, 3 ил. Аналого-цифровой преобразователь (АЦП) содержит входные шины 1 и 21 преобразуемого и опорного напряжений 1 соответственно, шину 3 синхронизации, шину 4 запуска АЦП в работу, аналоговый переключатель 5 и ключ 6, вычитатель 7, преобразователь 8 напряжений в частоту импульсов, первый 9, аей второй 10 и реверсивный 11 счетчик, триггеры 12"14 такта, цикла и синхронизации соответственно, формирователь 15 импульсов, генератор 16 импульсов, нуль-орган 17, первый 18, второй 19И третий 20 одновибраторы, с первого.по девятый элементы И 21-29, с перого по четвертый элементы ИЛИ 30-33,блок 34 синхронизации, выходную шину35 готовности результата преобразования, выходную шину 36 результата преобразования.Блок 34 синхронизации выполнен навычитающем счетчике 37, регистре 38,формирователе 39 импульсов, одновибторе 40, элементе И 41 и элементе42.На временных диаграммах работыобозначены: ф 3 - выходной импульс 15дновибратора 18; 44 - выходные импульсы нуль-органа 17; 45, 46 и 47 -сигналы на "1" выходах триггеров 12,13 и 14 соответственно; 48 и 49 -сигналы на выходах элементов И 25 и24, 50 и 51 - сигналы на выходахлементов ИЛИ 33 и 32Аналого-цифровой преобразователь(АЦП) работает следующим образом.ФПо сигналу запуска АЦП в работу, 25поступающему по шине 4, одновибратор18 Формирует сигнал выходной импульс43, который устанавливает в "0" счетчики 9 и 11 и триггеры 14 и 13 (через элемент ИЛИ 32) и в "1" триггер 3012, Сигнал запуска АЦП приходит перед,сигналами синхронизации на шине 3,по которым нуль-орган 17 формируетвыходные импульсы 44, формирующиевремя измерения входного сигнала,,равное Т = 2, где 1 - период повторения этих импульсов,Первый импульс 44, проходя черезэлемент И 26, устанавливает "1" втриггере 13 и, поступая на счетныйвход триггера 14, устанавливает "1"в последнем (сигнал 47), С этого мо"мента начинается первый такт Т, работы АЦП. Сигнал 46 с "1"-выхода триггера 13 разрешает работу элементовИ 27 и 22, через первый из которыхна вход счетчика 11 поступают импульсы Е = ЯПс выхода преобразователя 8, так как переключатель 5 посигналу 45, поступающему на его вход,подключает сигнал П через второйэлемент И 22 и элемент ИЛИ 30, в результате чего на вход счетчика 9 поступают импульсы 1, формирователя 15.Импульсы Йф, возникают при переключении в "0" старшего разряда счетчика 10, т.е. при его переполнении отподсчета импульсов генератора 16,имеющего частоту К = М Е, (в М раз более высокую по сравнению с прототипом),Так как сигнал 45 запрещает прохождение импульсов Й, через элементИЛИ 31 и разрешает их прохождение через элемент И 29, то с выхода последнего они устанавливают "1" в старшем разряде счетчика 10 с емкостью 2 М Поэтому переполнение счетчика 10 будет происходить через М, импульсов 2, а частота повторения импульсов Г,р будет равна Е/М . Эти импульсы используются в блоке 34 для измерения длительности Т При этом в нем формируется код М= = 2 М - Мс, где 2 Мо - емкость счетчика 37, а М = Тй ,и может иметь величину от М до 2 М Величина М формируется с помощью счетчика 37, работающего на вычитание, и регистра 38, предназначенного для хранения КОДа М С прихОДОМ кажДОго импульса 44 сначала в регистр записывается код М, полученный за время от предыдущего импульса до текущего, а затем благодаря задержке формирователя 39,устанавливается код "0" в счетчике 37. При совпадении импульса 44 с импульсом й для исключения1возможной записи неверного кода Мво время переходного процесса в счетчике 37 осуществляется запуск одновибратора 40, выходной импульс которого, объединяясь с Е в элементе ИЛИ 42, сдвигает момент записи кодаМ в регистр на время, большее времени переходного процесса в счетчике 37. Запись кода М будет выполняться только в первом такте Т работы АЦП так как в это время сигнал с "0"-выхода триггера 12 отсутствует и импульсы проходят через элемент ИЛИ 42 (в дальнейшем этот элемент из работы выключается).За время Т , т.е. в течение длительности сигнала 48, импульсы Г, с выхода элемента И 25 проходят через элементы И 27 и 21 на счетный вход второго младшего разряда счетчика 9, сформировали бы в нем код х= 2 ТЙ . Но одновременно с й на счетный вход младшего разряда счетчика 9 поступают импульсы Еф которые проходят через элементы И 22 и ИЛИ 30 и далее через элемент И 28 на выход управления вычитанием счетчика 9. За время Т количество этих импульсов будет равно ТЙпоэто5 15470 му в счетчике 9, имеющем емкость 2 М будет получен код х = 2 Мо - ТС,Г, + + 2 ТсГ, Обеспечение правильной работы счетчика 9 в случаях совпадения5 импульсов Г и 1 осуществляется при помощи одновибраторов 19 и 20 и элементов И 23 и 28, С каждым импульсом Е запускается одновибратор 19, сиГ- нал с "0"-выхода которого запрещает прохождение импульса через элемент.И 28, а сигнал с "1"-выхода разрешает работу элемента И 23. При совпадении импульсов 1 и последний проходит через элемент И 23 и запускает одно- вибратор 20, выходной сигнал которого объединяется в элементе ИЛИ 30 с импульсом Йф,и удлиняет его, в результате чего в счетчике 9 сначала выполняется суммирование импульса Е, 20 а затем уже вычитание импульса Е .1После окончания сигнала 48 в счетчике 9 до окончания сигнала 45 бу-,- - дет происходить суммирование импуль сов й , так как элемент И 28 выключен из работы, Этот подсчет импульсов закончится при переполнении счетчика 9 и фиксации в нем кода "0", по которому сигнал 50 в элементе ИЛИ 33 сни мается, в результате чего устанавливается в "0" триггер 12, За это время, т.е. за время Т 1, на вход счетчика 9 поступит х, импульсов Гф,:х 1= Т,.ф= 2 М, - х, = Т, - 2 Т,Ех;Т = Т (1 - 2 - ).ГФоСнятие сигнала 45 в элементе И 24 40 формирует сигнал 49, который с помощью ключа 6 подключает сигнал Пх на вход вычитателя 7. Его выходной сигнал 0 = = Б - 0 подается с помощью аналогового переключателя 5, на управляющем 45 входе. которого сигнал 45 отсутствует; на вход преобразователя 8, формирующего частоту 2 = БЖ о- Пх) ,Сигнал с "0"-выхода триггера 12 в 50 счетчике 11 включает режим вычитания, в результате чего импульсы Г будут уменьшать полученный в нем за Т, код М = 80 (Т + Т )Это будет выполнятьхся в течение второго такта Т работы 55 АЦП, который заканчивается по третьему импульсу 44, устанавливающему в "1" триггер 14 (сигнал 47). При снятии сигнала 45 выключается из работы 66 оэлемент И 29 и включается в работу элемент ИЛИ 31, через который импульсы с выхода формирователя 15 осуществляют запись в счетчик 10 кода М иэ блока 34. Это приводит к тому, что частота Гф будет изменена на Г1ЕИИПУпьсы Г постуо о Мспают на счетчик 9, где суммируются.За время длительности сигнала 49,х которая равна Т= Т - Т, " 2 Т, -- в счетчике 11 будет формирохцван код дМ = М- М, где М = 8(ПоБ ) - , а в счетчике 9 - код х= х р хф 1 хМо,Т К = - Гф = х - . Величина хфдМ 1 с представляет собой предварительный результат преобразования х, скорректированный в соответствии с изменением Т , представленным М . После окончания сигнала 49 начинается третий такт Т работы АЦП, в котором Б отключается от вычитателя 7 и с его выхода напряжение У подается на преобразователь 8, вырабатывающий импульсы= Ы. Импульсы з продолжают уменьшать код дМ в счетчике 11 до нуля за время Т, т.е. ДМ =дМ БГзТз, откудд Тэ = - = Пх(Тс3 3 + Т,) - Й - П)Т,= - " 2 Т - Т,.фВ момент возникновения кода "0" в счетчике 11 снятие выходного сигнала 51 в элементе ИЛИ 32 устанавливает ."0" в триггере 13, т.е. заканчивается третий такт ТЗ работы АЦП и преобразование АЦП, в результате чего на шине 36 устанавливается окончательный результат преобразования, о чем передается информация по шине 35 сигналом 46.Если к окончанию Т в счетчике 11 находится код "0", то сигнал 49 через элемент ИЛИ 32 также устанавливает в "0" триггер 13, в результате чего преобразование заканчивается без выполнения Т .Результат преобразования Х формируется в счетчике 9, на вход которого в течение Т поступают импульсы Екорректирующие находящийся в нам предварительный результат х . Число -этих импульсов за Тз будет равно хзТГ . поэтому окончательный резуль 3 Фтфтат преобразования равен1 Ьхх +х - 2 Яа з ц, р д. где д- квант АЦП.В АПП для правильной раббты вычитателя 7 и преобразователя 8 напряжение Ю, должно быть в два раза(как в прототипе) больше максимального сигнала Б , т.е. 0 р 20Щ 3 В ,и квант АЦП равенБХ тВрР 10 15 Результат преобразования х не содержит составляющнх погрешностей от20 Б . Таким образом, при изменении вреени преобразования входного сигнала, определяемого периодом помехи, по.сравнению с прототипом, в котором воз никает дополнительная погрешность, в предлагаемом АЦП это изменение не ,влияет на результат преобразования, т.е. повышена точность его работы.1. Аналого-циФровой преобразователь с частотным преобразованием, содержащий аналоговый переключатель,35 ;первый информационный вход которого ,является входной шиной и объединен синформационным входом аналогового ключа, а выход подключен к входу преобразователя напряжения в частоту 40 ющульсов, первый одновибратор, вход которого является шиной запуска, а выход соединен с. входами сброса первого счетчика и реверсивного счетчика и первым входом триггера такта, гене ратор импульсов, выход которого соеди-, нен со счетным входом младшего разряда второго счетчика, первый, второй, третий и четвертый элементы И, первый вход последнего из которых подключен к выходу триггера цикла и объединен50 с первым входом второго элемента И, выход которого соединен с первым вхо-, . . домпервого элемента ИЛИ, а второй вход объединен с первым входом третьего элемента И и с импульсным входом55 блока синхронизации, вход синхронизации которого соединен с выходом нуль- органа, вход которого является шиной 30Формула изобретения синхронизации,.а кодовые выходы блокасинхронизации соединены с одноименными входами второго счетчика, вход записи которого подключен к выходу второго элемента ИЛИ, первый вход которого соединен с выходом формирователяимпульсов, вход которого подключенк единичному выходу старшего разрядавторого счетчика, первый выход триггера такта соединен с входом управления вычитанием реверсивного счетчика, а второй выход - с управляющимвходом аналогового переключателя,второй вход которого подключен к выходу аналогового вычитателя, первыйвход которого является шиной опорного напряжения, второй вход соединен.с выходом аналогового ключа, управляющий вход которого подключен к выходу четвертого элемента И, выход первого элемента И соединен со счетнымвходом второго младшего разряда первого счетчика, счетный вход первогомладшего разряда которого соединенс выходом первого элемента ИЛИ, а.выходы разрядов являются выходнойшиной результата преобразования,отличающийся тем, что,с целью повышения точности преобразования, в него введены второй итретий одновибраторы, триггер синхронизации, пятый, шестой, седьмой,восьмой и девятый элементы И, третийи четвертый элементы ИЛИ, выход последнего из которых подключен к второму входу триггера такта, первыйвход подключен к выходу пятого элемента И и объединен с первыми входами первого и восьмого элементов И,а остальные входы - к выходам соответствующих разрядов первого счетчика, вход управления вычитанием которого соединен с выходом восьмого элемента И, второй вход которого подключен к выходу первого элемента ИЛИ,а третий вход подключен к первомувыходу второго одновибратора, второйвыход которого соединен с вторымвходом третьего элемента И, а входс выходом первого элемента И, второйвход которого объединен со счетнымвходом реверсивного счетчика и подключен к выходу седьмого элемента И,первый вход которого соединен с выходом преобразователя напряжения вчастоту импульсов, второй выход триггера такта соединен с вторым входомвторого элемента ИЛИ и объединен с15 первыми входами пятого, девятого и шестого элементов И, второй вход последнего подключен к выходу нуль- органа и объединен со счетным входом триггера синхронизации, первый выход которого соединен с вторым входом четвертого элемента И, а вход сброса соединен с выходом первого одновибратора и объединен с первым входом третьего элемента ИЛИ, второй вход которого подключен к выходу четвертого элемента И, остальные входов к выходам соответствующих разрядов реверсивного счетчика, а выход - к первому входу триггера цикла, второй вход которого соединен с выходом шестого элемента И, третий вход четвертого элемента И подключен к первому выходу триггера такта и объединен с управляющим входом блока синхронизации, импульсный вход которого соединен с выходом формирователя импульсов и объединен с вторым входом девятого элемента И, выход которого подключен к счетному входу старшего разряда второго счетчика, выход третьего одновибратора подключен к второму входу первого элемента ИЛИ, а выход - к выходу третьего элемента И, третий вход которого соединен с вы 47066 10ходом триггера цикла, объединен свторым входом седьмого элемента Ии является выходной шиной готовности 5результата преобразования а второйУвход пятого элемента И подключен квторому выходу триггера синхронизации.2, Преобразователь по п. 1, о тл и ч а ю щ и й с я тем, что блоксинхронизации выполнен на вычитающем счетчике, регистре, формирователе импульсов, одновибраторе, элементе И и элементе ИЛИ, первый входкоторого является входом синхронизации блока, второй вход - управляющим входом блока, третий вход через одновибратор подключен к выходуэлемента И, первый вход которого яв ляется входом синхронизации блока,второй вход - импульсным входом блокаи объединен со счетным входомвычитающего счетчика, кодовые выходы которого соединены с соответству ющими входами регистра, выходы разрядов которого являются кодовыми выходами блока, а вход записи соединенс выходом элемента ИЛИ и объединенс входом формирователя импульсов, З 0 выход которого подключен к входу сброса вычитающего счетчика.1547066 на Составитель В. МахнаноТехред Л. Сердюкова едактор А. Ре Гирняк ррект аж 66 8 Подпис И Государственного комитета по изобретениям и .открытиям при ГКНТ СССР 113035., Москва, Ж, Раушская наб д. 4/5 о-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул. Гагарина, 10 оизводст