Аналого-цифровой преобразователь совмещенного интегрирования

(51)5 Н 03 М 1/52 Я ЕТеааВ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯПРИ ГКНТ СССР ПИСАНИЕ И ТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ(56) Балавой В.Г. и др, Интегральн ые схем ыАЦМ и ЦАМ, М.; Энергия, 1978, с, 62,рис. 1 - 19,Авторское свидетельство СССРМ 347910, кл, Н 03 М 1/52,1970.(54) АНАЛОГО-ЦИ 1 РОВОЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ СОВМЕЩЕННОГО ИНТЕГРИРОВАНИЯ(57) Изобретение относится к области импульсной техники, в частности к преобразователям напряжения в цифровой код синтегрированием входного напряжения, и Изобретение относится к импульсной технике, в частности к преобразователям напряжений в цифровой код с интегрированием входного и опорного напряжений,Цель изобретения - повышение быстродействия преобразователя,На фиг. 1, 2 и 3 приведены блок-схемы АЦП, блока формирования времени интегрирования опорного напряжения и блока управления соответственно; на фиг. 4 - временная диаграмма.АЦП (фиг. 1) содержит шины опорного 1, входного 2 напряжений, пуска 3, готовности результата преобразования 4, выходная 5 соответственно, интегрирующий элемент б, например выполненный на конденсаторе, интегратор 7, например выполненный на может быть использовано в устроиствах сбора аналоговой информации систем контроля и управления технологическими процессами, Целью изобретения является повышение быстродействия преобразователя. АЦП содержит интегратор с входными ключами, компаратор, пороговый элемент, блок формирования времени интегрирования опорного напряжения, счетчик, блок управления и элемент И., Новым является введение интегрирующего элемента, переключателя, третьего ключа, источника тока, делителя напряжения, триггера и элемента И, благодаря которым в АЦП дополнительные затраты времени на получение окончательного результата преобразования сведены к незначительной величине и тем самым достигнуто повышение быстродейст вия АЦП, 2 з.п. ф-лы, 4 ил,операционном усилителе с конденсатором в С, цепи обратной связи, ключи 8, 9 и 10, первые два из которых имеют резисторы Й, каж- у дый из них при наличии сигнала на управляющем входе замкнут, при отсутствии сигнала разомкнут, компаратор 11 и по- С роговый элемент 12 с напряжением 6 д срабатывания Оп, блок 13 формирования времени интегрирования опорного напря- жения, счетчик 14, переключатель 15, у которого при отсутствии сигнала на управляющем входе замкнуты первый вход и выход, а при наличии сигнала замкнут второй вход и выход, делитель 16 напряжения и источник 17 тока с выходным током 1 с, триггер 18, элементы ИЛИ 19 и И 20, блок 21 управления.Блок 13 (фиг. 2) содержит триггер 22формирователь 23 импульса из отрицательного перепада, элемент 24 И, первый 25и второй 26 элементы ИЛИ,Блок 21 (фиг, 3) содержит счетчик 27,генератор 28 импульсов, имеющий вход управления при наличии сигнала на которомгенератор включен к работу, триггер 29, ик.вертор 30, Формирователь 31, импульсов изположительного перепада напряжения,элементы И 32 и ИЛИ 33,На временной диаграмме фиг. 4 обозначены; 34 - импульс на шине пуска; 35 -импульс переполнения счетчика 27 36 -сигнал на единичном выходе триггера 29; 37и 38 - импульс формирователю 31 и временной интервал То 1 его появления после нача"ла Т 1; 39 и 40 - напРЯжениЯ Ои(1) и Ос(т) навыходе интегратора 7 и элемента 6; 41, 42 и43 - временные интервалы Т 11, Т 21 и Т 12 втечение интегрирования Оа( (время совмещенного интегрирования - Т 21); 44 - вреМЕННОй ИНтЕРВаЛ Т 22 ИНтЕГРИРОВаНИЯ Оопосле Т 1; 45 - напряжение Оп порога сраба.тывания элемента 12; 46 - сигнал на выходекомпаратора 11; 47, 48 и 49 - сигналы навыходах элемента 12, триггеров 18 и 22; 50- импульс формирователя 23; 51 и 52 - сигналы на выходах элемента ИЛИ 33 и инвертора 30 (сигнал готовности результатапреобразования на шине 4).АЦП работает следующим образом.Преобразование входного сигнала начинается по импульсу 34, поступающему пошине 3 и устанавливающему "О" в счетчиках14 и 27, в триггерах 18 и 22 (через элементыИЛИ 19 и 26) и "1" в триггере 29. Его входнойсигнал 36, во-первых, с помощью ключа 9Охподает на вход интегратора 7 токах = - , аво-вторых, проходя через элемент ИЛИ 33,включает генератор 28 и далее через иквертор 30 размыкает ключ 10 и разрешает работу интегратора 7.Начинается первый такт работы АЦП -интегрирования 1 х, в результате которого навыходе интегратора 7 появляется напряжение Ои(т) и сигнал 46 ка выходе компаратора11, Напряжение 40 на выходе ин.гегрирующего элемента 6 Ос(т) равно напряжению Опделителя 16, так как их выходы соединены с,помощью переключателя 15,Величина 1 Оп выбирается равной 1 иц=ип, (1 -- ) - Оп =- - (1 -- ) - Оп,1 1-1 о1ЧОогде Оп = Ох(п, Ц = 0 0 - , а Оп - поРог СРабаты.вания 45 элемента 12, Оо - опорное напря.жение, 10 Напряжение Ос(т) на выходе элемента 6будет в течение времени 38 То 1:То 1 = (1 -- )Т 1, где Т 1 = ц - ,1 МооВремя То 1 38 Формируется по коду старших разрядов счетчика 27 с помощью элемента И 32, При появлении сигнала на еговыходе запускается формирователь 31, а его импульс 37 устанавливает в "1" триггер 18,Сигнал 48 этого тоиггеоа с помощью переключателя 15 подключает источник 17 токак интегрирующему элементу 6, выходное напряжение Ос(т) 40 начинает измекяться (при отрицательной величине Оп оно увеличива 0(п (1 -- )1ется со скоростью Ч - ., Вели 1 цчина Ч обеспечивается соответствующим выбором величины тока источника 17, ис 20 пользующего Ос, для поддержания его стабильным, и конденсатора интегрирующегоэлемента 6,Поэтому на выходе элемента 6 в течениеТо 1 38 поддерживается напряжение О, а25 затем оно будет Ос(т) = - Оц(1 - Чт). Этим двумнапряжениям соответствуют напряжения:- 0(п(1 -- ) и Осп(т) = - Ов(1 -. - )1Ц Ц(1 - Т 1 на первом входе порогового1 "ЦТ 1элемента 12, при которых он будет срабатывать, Так к окончанию Т 1 Осп = О, а при То 11оно равно - Ощ(1 -- ) и при Ох =- 0(п в этотЦмомент произойдет срабатывание, порогового элемента 12,Для других значений Ох это произойдетпозже через время Т 11 41 по сигналу 47,который установит в "О" триггер 18 (через40 элемент ИЛИ 19) и в "1" триггер 22 (черезэлементы ИЛИ 25 и И 24), Первый из,них, отключает с помощью переключателя 15 ток1 с от интегрирующего элемента 6, и на еговыходе восстанавливается напряжение 40,45 равное-Оц.Второй сигналом 49 подключает с помощью ключа 8 напряжение Оо к интегратору 7, и начинается совмещенноеинтегрирование - (Оо - Ох) в течение Т 21 42,50 одновременно с которым разрешена работаэлемента И 20, пропускающеге импульсы тогенератора 28 на счетный вход счетчика 14,гце формируется код Х результата преобразования.55 На Фиг. 4 показано два случая оконча-,ния Т 21 до окончания Т 1 и с его окончанием,которое Формируется по импульсу 35 с по 1695503четчи нтер юча Таким образом; в счетчике 14 получен точный результат преобразования Ох в Х.Время Тгг определяется величиной Ои(Т 1), которая зависит от времени Т 12, определяемого, в свою очередь, началом совмещенного интегрирования при срабатывании порогового элемента 12. с мощью счетчика 27 и импульсов 1 о генераторора 28, обеспечивая величину Т 1 =- ц - ,оВ первом случае напряжение Ои(т) до. стигает нулевого уровня, сигнал 46 на выхо, де компаратора снимается и запускаетформирователь 2, устанавливающий в "0"триггер 22, который отключает О, от интегратора 7.Во втором случае совмещенное интегрирование Т 2142 заканчивается с окончанием сигнала 36, так как импульс 35устанавливает в "0" триггер 29, который отключает 0 от интегратора 7, Таким же образом закончится Т 12 43 в первом случае, иесли на выходе компаратора 11 присутствует сигнал 46, то он разрешает прохождениеимпульса 35 через элемент 24 И, которыйвновь устанавливает в "1" триггер 22, а егосигнал 49. подключает Оо к интегратору, которое разинтегрирует Ои до нуля за времяТ 22,44..В течение этого времени, как и в Т 21 42,в счетчик 14 поступают импульсы Ь, и в немформируется окончательный результат преобразования Х за время Т 2 г, которое заканчивается по сигналу 49 и импульсу 50,.устанавливающему в "0" триггер 22. С окончанием Т 22.сигнал 51 с выхода элемента, ИЛИ 33 снимается, и генератор 28 вы ключается, а сигнал 52 с выхода инвертора 30эакорачивает вход и выход ключа 1 О, выключая из работы интегратор 7, и информируетпо шине 4 о готовности результата преобразования.Величина Хсформирована вс ке 14в результате преобразования и валоввремени Т 21 и Тгг в код с помощь стотыЬ, т.е. Х = (Тг 1+ Т 22) то.Из уравнения преобразования можноопределить величину (Т 21 + Т 22);КОхТ 11 К(Оо Ох)Т 21+ КОхТ 12 = КОоТ 22,где К - коэффициент интегратора 7, в котором учтена величина В преобразования Оои Ох в ток ключами 8 и 9.ОткУда Ох(Т 11 + Т 21 + Т 12) = Оо(Т 21 + Т 22),Охили 0 Т 1 = Оо(Т 21 + Т 22). ПоэтомУ Х = - Т 1Ооо- - р(чо= Йо =, где Л-квантОх Ох , ОхОо ОоАЦП,Поэтому Ои(Т 1) =. КО 112 = КОоТ 22; Т 12 - - Т 1 (Т 11 + Т 21). Из уравнений окончания совмещенного интегрирования КОТ 11 = К(0 о Ох)Т 21 и сра батывания порогового элемента 12; Ои(Т 11) = Ооп(Т 11 ТО 1), или Ои(Т 11) = Ощ(1 --- ) (1 1 Т 11 То 1 ц Т 1 р) можно получить с1 10 учетом того, что КТ 1 = 1 и То 1 = Т 1(1 -- ),цОхТ 11 величины: Т 21 = иОоОх1О (1)ц 15.Т 11 = Т 1 . Так как Ох+ Огп (1 -- ) Р 1 р Т 12 = Т 1 - Т 11(1 + ), т о ТггОхОо ОхОх Ох. 20 -. - т 12 =т 1х Оо р 0цО, р - 10цО - ОО + - 1 О Величина Тгг при О = 0 и Ох = Оп 1 равнанулю, и она имеет наибольшее значение Т 22 н пРи УРовне Охн, котоРый можно опРеДелить из уравнения Т 22 (О) = О, Для величи 1ны ц = 4, используемой как и в примере реализации известного преобразователя, величины Охн = - 0,6250 п и Т 22 н = 0,0031 Т 2,По сравнению с известным преобразоВатЕЛЕМ, В КОтОрОМ ВрЕМя Т 22 н = 0,125 Т 1 и оно соответствует входному сигналу 5 Охн = - Оп в предлагаемом АЦП для этого12уровня О Т 22 = 0,002 Т 1, а его наибольшее время Т 22 = = 0,0031 Т 1, затрачиваемое на получение окончательного результата преобразования, уменьшается более чем в 40 раз, что повышает быстродействие АЦП,Формула изобретения 1. Аналого-цифровой преобразовательсовмещенного интегрирования,. содержащий интегратор, вход которого соединен с выходами первого и второго ключей, информационные входы которых являются соответственно шинами опорного и входного напряжений, выход интегратора подключен к первым входам порогового элемента и компаратора, второй вход последнего из которых является общей шиной, счетчик, выходы которого являются выходной шиной, вход установки нуля - шиной пуска, блок управления и блок формирования времени интегрирования опорного напряжения, выход которого соединен с управляющим входом первого ключа и первым входом элемента И, второй вход которого соединен с первым выходом блока управления, а вы 1595503ход .- со счетным входом счетчика, первый вход блока управления является шиной пуска, второй выход соединен с управляющим входом второго ключа, третий выход - с первым входом блока формирования времени интегрирования опорного напряжения, второй вход которого обьединен со вторым входом блока управления и подключен к выходу компаратора, отлича ющийся тем,что, с целью повышения быстродействия преобразователя, в него введены интегрирующий элемент, делитель напряжения, источник тока, переключатель, триггер, элемент ИЛИ и третий ключ, информационный вход и выход которого подключены соответственно к входу и выходу интегратора, а управляющий вход является шиной готовности результата преобразования и подключен к четвертому выходу блока управления, пятый выход которого соединен с единичным входом триггера, а первый вход обьединен с первым входом элемента ИЛИ и с третьим входом блока формирования времени интегрирования опорного напряжения, четвертый вход которого объединен с вторым входом элемента ИЛИ и подключен к выходу порогово го элемента, второй вход которого соединен с выходами интегрирующего элемента и переключателя, первый и второй информационные входы которого подключены соответственно к выходам делителя напряжения и источника тока, входы которых являются шиной опорного напряжения, а управляющий вход переключателя подключен к прямому выходу триггера, вход интегрирующего элемента является общей шиной,2. Преобразователь по и, 1, о т л и ч а ющ и й с я тем, что блок формирования времени интегрирования опорного напряжения выполнен на триггере, формирователе импульсов, элементе И, первом и втором элементах ИЛИ, причем выход триггера является выходом блока, а единичный и нуле вой входы соединены соответственно свыходами элемента И и первого элемента ИЛИ. первый вход которого является третьим входом блока, а второй вход подключен к выходу формирователя импульсов, вход 10 которого является вторым входом блока иобъединен с первым входом элемента И, второй вход которого подключен к выходу второго элемента ИЛИ, первый и второй входы которого являются соответственно 15 первым и четвертым входами блока,3, Преобразователь по и. 1, о т л и ч а ющ и й с я тем, что блок управления выполнен на счетчике, генераторе импульсов, триггере, формирователе импульсов, инверторе, 20 элементах И и ИЛИ, причем первым входомблока является единичный вход триггера и вход установки нуля счетчика, счетный вход которого подключен к выходу генератора импульсов, являющегося первым выходом 25 блока, выход переполнения счетчика подключен к нулевому входу триггера и является третьим выходом блока, а выходы старших разрядов счетчика подключены к соответствующим входам элемента И, вы ход которого подключен к входу формирователя импульсов, выход которого является пятым выходом блока,.четвертым выходом которого является выход инвертора, вход которого объединен с управляющим входом 35 генератора импульсов и подключен к выходу элемента ИЛИ, первый и второй входы которого являются соответственно вторыми входом и выходом блока, а прямой выход триггера подключен к второму входу эле мента ИЛИ.1695503 г Составитель В. МахнановРедактор А, Калениченко Техред М.Моргентал Корректор Т. Палий еытиям при ГКНТ СС Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул. Гагарина, 101 Я Я 57 аз 4173ВНИИПИ Государств1 Тираж Подпис ного комитета по изобретениям и отк 035, Москва, Ж, Раушская наб 4/