Аналого-цифровой преобразователь с преобразованием напряжения в частоту

Номер патента: 1651381

Авторы: Лукьянов, Телепин

ZIP архив

Текст

(51)5 Н 03 М 1/ В 1 ИЩЦаЪНВ 73 ь." 1 1 ЦУ ь".1 БЛИОТЕ ПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИ ИДЕТЕЛЬСТВУ АВТОРСКО 1(2 6) скии (72) (53) (56) схемьА У 11 аль ныес.1-23.Р торс 0769(57 Изобретен ехнике, в ям напряж относится к импульсастности к преобразоия в цифровой код с ой ате зованием напромежуточным прео ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТНРЫТИПРИ ГКНТ СССР 4708536/2421.06.8923.05.91. Бюл. Р 19Всесоюзный научно-исследоваинститут электромеханикиЛ М.Лукьянов и А,П.Телепин681,325(0888)Балакай ВГ и др. ИнтегрАЦП и ЦАП, 1978, .7 г,ркое свидетельство СССкл. Н 03 М 1/60, 1983 АНАЛОГО-ЦИФРОВОЙ ПРЕОБРАВОВАТЕ ЕОБРАЗОВАНИЕМ НАПРЯЖЕНИЯ В ЧАСИзобретение относится к импульсной технике, в частности к преобразователям напряжения в цифровой кодс промежуточным преобразованием вчастоту импульсов.Цель изобретения - повышение точности преобразования,На Фиг.1 изображена блок-схемаАЦП; на Фиг.2 - временные диаграммыего работы,АЦП содержит входные шины 1-3для преобразуемого 0 и опорного напряжений и для сигнала пчска в работу, выходные шины 4 кода результатапреобразования, преобразователь 5напряжения в частоту (ПНЧ) импульсов,аналоговый переключатель 6, у котопряжения в частоту импульсов, и может быть использовано в устройствахсбора аналоговой информации системиспытаний, контроля и управления технологическими процессами. Целью изобретения является повышение точностипреобразования, Аналого-цифровой преобразователь (АЦП) содержит преобразователь напряжения в частоту с входным переключателем, вычитатель, двасчетчика, реверсивный счетчик, дватриггера, генератор импульсов, одновибратор, логические элементы И иИЛИ. Введение в АЦП третьего счетчика, двух триггеров, Формирователяимпульсов и логических элементов позволяет уменьшить квант преобразования, что повышает точность работыАЦП 2 ил. рого первый вход соединен с выходом приналичии сигнала на управляющем входе ивторой вход соединен с выходом приотсутствии управляющего сигнала,вычитатель 7 аналоговых сигналов,аналоговый ключ 8, вход которого соединен с выходом при наличии сигналана управляющем входе, счетчики 9 и10, причем счетчик 10 имеет счетныйвход для р-го разряда, реверсивныесчетчики 11 и 2, имеющие входыуправления режимом вычитания, генератор 13 импульсов, имеющий частотуЕи Е, т.е увеличенную по сравненйю с прототипом в и раз, с первогопо четвертый триггеры 14-17, одыовибратор 18, с первого по девятый эле 1651381менты И 19-27, формирователь 28 импульсов, с первого по пятый элементы ИЛИ 29-33.На фиг.2 обозначены; 34 - импульспуска АЦП в работу; 35-39 - сигналына выходах "1 " триггеров 14 и 15,старшего разряда счетчика 9, триггерров 1 6 и 17; 40 - временные интервалы наличия 1: на счетном входе счеточика 12; 41 - сигнал на выходе эле-мента ИЛИ 30. При этом на фиг.2 приведены два примера преобразованияПхг х115АЦП работает следующим образом.В интервалах времени, когда невьпюлняется преобразование Б, триггеры 14-17 находятся в "0" исходномсостоянии, в которое они приходят кокончанию очередного преобразования,а также после включения питания АЦП,В последнем случае это обеспечивается тем, что работа счетчиков 9 и 11не запрещается каким-либо сигналом 25и импульс переполнения первого изних устанавливает в "0" триггер 1 4через элемент ИЛИ 33, а снятие сигнала с выхода элемента ИЛИ 30 приполучении п 0 кода в реверсивномсчетчике 11 устанавливает в "О" триггер 15, Если с включением питаниятриггеры 16 и 17 установятся в "1",то в первый из них 0 запишетсяпервым импульсом с выхода ПНЧ 5,который пройдет через элемент И 23и запустит формирователь 28, сигналкоторого подается на вход "0" триггера 1 6, а "О" в триггер 1 7 запишется после установки в 0 триггера 401 5 при работе реверсивного счетчика1 2, когда его код становится равнымО по снятию сигналя с выхода элемента ИЛИ 31.45Исходное состояние "0" триггеров 14-17 обеспечивает выключение из работы счетчика 10, так как работа элементов И 19-21 запрещена, и разрешена работа реверсивного счетчика 12, так как элементы И 25 и 27 откры50 ты сигналами с выходов 0 триггеров 14-16. Импульсы К генератора 13 проходят через элемент И 25 и ИЛИ 32 и подсчитываются реверсивным счетчиком 12 (временные интервалы 40), а импульсы с выхода ПНЧ 5 проходят через элемент И 27 и устанавливают внем код "О". Из-за отсутствия сигналов 35 и 36 на управляющих входах ключа 8 и переключателя 6 выходной сигнал вычитателя 7 будет равен Б и он преобразуется ПНЧ 5 в частоту РоБоЧВ течение периода Р в реверсивоном счетчике 2 формируется кодо/Ро ф которыи с каждым импульсом У сбрасывается в 0" и вновь формируется за время 1/Ро. Этот процесс продолжается до появления импульса 34 пуска АЦП в работу, который может появиться в любой момент времени относительно прихода Р , т.е.оф через 1, после очередного импульса. За время й, в реверсивном счетчике 12 будет получен код и= Ся Г и за это же время ПНЧ 5 получит заряд от Бо, Равный Ч = 1 с БСя 1, но меньОший Ч.Импульс 34 запускает одновибратор 18, который обнуляет счетчики 9-11 и устанавливает в "1" триггер 14, снятие сигнала с выхода "0" которого запрещает. работу элементов И 25 и 27 и счетчика 12, в котором будет храниться код п, используемый при дальнейшем получении результата преобразования. Сигнал 35 с выхода "1" триггера 14 при помощи переключателя 6 подает на вход ПНЧ 5 напряжение У и разрешает совместно с сигналом с вы" хода "0" старшего разряда счетчика 9 работу элемента И 19. Так начинается первый такт Т работы АЦП, в течение которого с выхода ПНЧ 5 иа счетчики 10 и 11 поступают импульсы сУкчастотой РЕ . В течение вреХ 1Чмени, равного половине Т времени измерения Пх, в счетчике 11 накопится Б ц импульсов, а в счетчике 9 будет сформирован предварительный результат преобразования М. Время Т формируется с помощью импульсов генератора 13 и счетчика 9, имеющего емкость, равную 2 Б ад. От момента прихода импульса 34 до переполнения счетчика 9 проходит время Т211 поо фПосле начала Т за время -- Т2 о с выхода ПНЧ 5 на вход р-го разряда счетчика 9 поступит Б,м импульсов1, 1нТак как вес р-го разряда этогосчетчика равен 2 п , то по этим импульсам будет получен код И М я 2 пЭтот код отличается от точного результата преобразования, так как он получен за время, равное половине времени интегрирования Б 1 и в него входЯт погРешности от 1, Ч и ЧО , Поэтому Н используется только для определения окончания Т и начала второготакта Т, что обеспечивает наименьшее общее время преобразования. Этоокончание определяет импульс переполнения. счетчика 1 О, на счетный входкоторого во второй половинеТ подаются импульсы Г , так какосигнал 37 и сигнал с выхода "0" триггера 16 открывают элемент 20, а элемент 19 закрывают. Емкость счетчика10 равна Б и , поэтому после прохождения (И и - Ю) импульсов появитсяимпупьс переполнения, который установит в триггер 16. Сигнал 38с его выхода "1" открывает элементИ 23 и первый импульс ПНЧ 5 запускает формирователь 28, а он устанавливает в "0" триггеры 16 и .14 (последний через элемент ИЛИ 33) и в "1"триггеры 15 и 17 (последний черезэлемент И 24, и только в том случае,если на выходе элемента ИЛИ 31 имеется сигнал),На этом заканчивается Т, сигнал35 снимается, а появившийся сигнал36 проходит через элемент И 22 и подключает Б с помощью ключа 8 на входвычитателя 7. С его выхода сигнал(11 - Б) подается на ПНЧ 5, на выходекоторого начинают формироваться им 11 о кпульсы Р щ Е --- и начинаетсяйвторой такт работы,За время Т с выхода ПНЧ 5 навход реверсивного счетчика 11 поступит целое число И импульсов в результате преобразования заряда Ч= Чо 1 ++ 1 ЮТ и в нем будет получен кодН Ч /Ч. К окончанию Тв счетчике10 будет код "0", так как с появлением его переполнения сигнал с выхода"0" триггера 1 6 снимается, закрывается элемент И 20 и подсчет импульсовЕо прекращается,В течение Т сигнал 36 включаетв реверсивном счетчике 11 режим вы За это же время в счетчик 10 поступит Ю З импульсов ГоНг = (Т- йн + ТэйофИз условия Н- Бг = О, подставляяв него значения М 1= Ч/Ч и ИгеЧ /Ч, можно определить соответствие времени (То+ Т.) с величинойпреобразуемого сигнала Пх 55 Ч о 10 хТ 1 1 РО Пк)ТЕ +10 оТЭУчитывая, что Тг= Т - Т, получьДк. ипи (Т+ Т 3) - -То+ щ3 о 10 15 20 25 30 35 40 45 читания и импульсы ПНЧ 5 Г будут вычитаться из Н . В это время в счет чике 10 происходит подсчет импульсовкоторые проходят через элементы И 21 и ИЛИ 29. При этом подсчет начинается только после того, как закончится сигнал 39 и появится сигнал в результате установки в "0" триггера 17. Это произойдет через Сп/Го после начала Т , так как только после уменьшения кода п в ревер 11сивном счетчике 12 до "0" снимется сигнал с выхода элемента ИЛИ 3 1, который устанавливает в "О" триггер 17. Уменьшение кода п импульсами Г, происходит благодаря тому, что сигнал 39 разрешает работу элемента И 26 и включает режим вычитания в реверсивном счетчике 12. Поэтому подсчет импульсов Г в счетчике 10 выполняется за время, меньшее, чемВторой Т такт работы АЦП заканйчивается с окончанием по импульсу пере полнения сче тчик а 9, устанавливающего в "0" триггер 14. С окончанием Т,г снимается сигнал 36 и в течение Ттретьего такта отключается Б от вычитателя 7, на его выходе появляется напряжение 11 , которое начинает преобразовываться ПНЧ 5 в импульсы Р = Ы 1 /Ч Эти импульсы продолжают уменьшать в реверсивном счетчике 11 код Н до нуля, с появлением которого сигнал 41 с выхода элемента ИЛИ 30 снимается и устанавливает в "0" триггер 15. На этом преобразо-. вание заканчивается, все триггеры 14- 17 находятся в исходном состоянии "Он,За время (Т + Т) на вход ПНЧ 5 поступит заряд Ч г = 1(По ) ТО + + МТ, на основе которого ПНЧ 5 сформирует целое число импульсов 11 а 5= С 1 гз/ЧфПХ 11,х 11 х ц ТоЕо 11 оио ДиВ счетчике О получен результат преобразования х = Н 1 для О, гиоДи.В рассмотренных случаях преобразования 0 окончательный результат преобразования х не содержит погрешностей от С я,и с, присущих прототипу, и по сравнению с ним имеет 55. Подставив это значение в Я , будем иметь0 щ( - фТ+ - с )ЕщнищЦ 11о Ио 11 о о5 щ щ.Ц.Ди фОогде Ди щ --- щ , -- квант АЦП21 оп о Бои оТаким образом в счетчике 1 О10 получен окончательный результат х щ щ 0 преобразования Б за время ТЙеобходимо отметить, что при преобразовании напряжений, имеющих незначительную величину или 11 пщ О, может не произойти окончание Т в течение То. Например, как это показано на фиг.2, после второго импульса 34 при выполнении преобразования Би Ди , величина Б будет равна нулю и пере полнение счетчика 10 произойдет только с окончанием Т (сигнал 37), а окончание Т - по первому импульсу ПНЧ 5 через время С после То.В течение С (снгнал 38) ревер сивный счетчик 12 работает как н йеред,началом,То (в триггерах 14 и 15 находится код "О"). Поэтому в нем код и 1 будет увеличен на и щ ЙЙ о, После окончания Т в реверсивном 30 счетчике 11 будет код Б = 1, соответствующий заряду Чощ Чо, + ЩТо + + Ю, В этом случае второй такто Я.работы АЦП отсутствует, после Т 1 начинается сразу Т, а после прихода первого в Т импульса Ро, соответствующего заряду о = ЩТР, преобразо"3ванне заканчивается. В течение Т счетчик 10 начинает работатъ через время (и + и) . = н + С, поэто"40Еому в нем будет получен код Нщ (Т -Йя Йд )ЕоИз условия Б 1 щ й 0 или Я щ Чзо имеем 45Ч о + Щ То + 1 Ц оТ 2 ЩТ зоткуда Т щ Т + йп+ Ср115 11 оПодставляя величину Т в Н Р полу 350 11 хат Дквант Ди щ "- --- в ио разоио иоменьше его кванта. Это позволяет увеличить точность работы АЦП.Прео бра зов ание С ив коды и и и будет выполняться с воэмож" ным возникновением погрешностей, максимальные величины которых составят Аналогичные ошибки могут появиться при преобразовании (Т + Т ) в код Н = (Т+ Т)Г+1Прй формировании длительности измерения,То также может иметь место погрешность(2 оио 1) ЕеЕсли значение иааф иае Или То подставить в уравнения преобразования, то получим значение х , отличающееся от точного значения хх щ (2 Ни -1)- - Ео+Е -1 П 1о о Е, о й оо11-и+с Е-и +1= -(20 и)й 3.Сд й 11 ., ц Р Наибольшая погрешность в х по срав/ нению с х будет прн преобразовании максимального входного сигнала Ц111 и она составит величину от +2,5 до -3,5 единицы, соответствую- . щей кванту. Ди = Д/иЭто позволяет количественно оценитьна сколько улучшилась точность в предлагаемой АЦП по сравнению с прототипом, который имеет погрешность 12 нли -1,5 единицы, соответствующей кванту Д .Для случая возникновения наибольших погрешностей точность будет повышена в Р раз, где= 2 Д/3,5 Ьи 0,57 иТаким образом, в предлагаемом АЦП при условии сохранения основных параметров прототипа Уо и То по сравнению с ним в = 0,57 и раз повышена6.точность работы. Так, при увеличении в АЦП частоты генератора в 16 раз (и щ 6) и увеличении разрядов счетечиков 9 и 10 на четыре разряда увеличение точности будет более чем в 9 раз.Формула изобретенияАналого-цифровой преобразователь с преобразованием напряжения в частоту, содержащий переключатель, пер.вый информационный вход которого25 объединен с информационным. входомключа и является входной шиной, второй информационный вход подключен квыходу вычитателя, первый вход которого является опорной шиной, а второй вход соединен с выходом ключа,а выход переключателя через преобразователь напряжение - частота соединен со счетным входом первого реверсивного счетчика и первым входомпервого элемента И, второй вход которого объединен с управляющим входомпереключателя, первым входом второгоэлемента И и подключен к первому 15выходу первого триггера, третий входподключен к нулевому выходу старшегоразряда первого счетчика, а выход -к счетному входу р-го разряда второго счетчика, выходы разрядов которого являются выходными шинамиа счетный вход соединен с выходом первогоэлемента ИЛИ, первый и второй входыкоторого подключены соответственнок выходам второго и третьего элементов И, первый вход последнего изкоторых соединен с первым выходомвторого триггера и объединен с первым входом. четвертого элемента И,второй вход - с выходом генератора 30импульсов и объединен со счетным входом первого счетчика и вторым входомвторого элемента И, третий, вход которого объединен с вторым входом четвертого элемента И и подключен к 35единичному выходу старшего разрядапервого счетчика, вход обнуления которого объединен с одноименными входами первого реверсивного и второгосчетчиков и первым входом первого 40триггера и подключен к выходу одновибратора, вход которого является шиной запуска, выходы разрядов первогореверсивного счетчика через второйэлемент ИЛИ соединены с первым входом 45второго триггера, а выход четвертогоэлемента И подключен к управляющемувходу ключа, о т л и ч а ю щ и й с ятем, что, с целью повышения точностипреобразования, в него введены второй реверсивный счетчик, третий и.четвертый триггеры, третий, четвертый нпятый элементы ИЛИ, с пятого по девятьгй элементы И и формирователь импульсов, причем выходы седьмого и восьмого элементов И подключены к входамчетвертого элемента ИЛИ, а их первыевходы объединены и соединены с выходом генератора импульсов, первый входдевятого элемента И объединен с первым входом первого элементаИ и с первым входом пятого элемента И, второй вход седьмого и второй вход девятого элементов И объединены и подключены к второму выходу первого триггера, а третий вход седьмого и третийвход девятого элементов И объединены и подключены к второму выходувторого триггера, второй вход восьмого элемента И соединен с первым выходом четвертого триггера и объединенс входом управления вычитанием второго реверсивного счетчика, вход обнуления которого подключен к выходудевятого элемента И, четвертый входкоторого подключен к первому выходутретьего триггера и объединен с четвертым входом второго элемента И, выход третьего элемента ИЛИ соединен спервым входом четвертого триггера ипервым входом шестого элемента И, второй вход которого объединен с первымвходом третьего триггера, с вторымвходом второго триггера, подключенк выходу формирователя импульсов иобъединен с первым входом пятого элемента ИЛИ, второй вход которого соединен с выходом переполнения первогосчетчика, а выход - с вторым входомпервого триггера, второй вход третье- .го триггера соединен с выходом переполнения второго счетчика, а первыйвыход второго триггера соединен свходом управления вычитанием первогореверсивного счетчика, второй выходчетвертого триггера подключен к третьему входу третьего элемента И,вход формирователя импульсов соединенс выходом пятого элемента И, второй вход которого соединен с вторымвыходом третьего триггера, а второйвход четвертого триггера соединенс выходом шестого элемента И, выходчетвертого элемента ИЛИ соединен сосчетным входом второго реверсивногосчетчика, выходы разрядов которогосоединены с соответствующими входамитретьего элемента ИЛИ.ектор М,Самборская роизводственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул. Гагарина каз 1611 Тираж 473ЙИИПИ Государственного комитета113035, Москва, Ж Подписное изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР5, Раущская наб., д. 4/5

Смотреть

Заявка

4708536, 21.06.1989

ВСЕСОЮЗНЫЙ НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ИНСТИТУТ ЭЛЕКТРОМЕХАНИКИ

ЛУКЬЯНОВ ЛЕВ МИХАЙЛОВИЧ, ТЕЛЕПИН АРКАДИЙ ПАВЛОВИЧ

МПК / Метки

МПК: H03M 1/60

Метки: аналого-цифровой, преобразованием, частоту

Опубликовано: 23.05.1991

Код ссылки

<a href="https://patents.su/6-1651381-analogo-cifrovojj-preobrazovatel-s-preobrazovaniem-napryazheniya-v-chastotu.html" target="_blank" rel="follow" title="База патентов СССР">Аналого-цифровой преобразователь с преобразованием напряжения в частоту</a>

Похожие патенты