Следящий аналого-цифровой преобразователь

Союз Советских Социалистических Республик(22) Заявлено 1601.78 (21) 2569971/18-21 с присоединением заявки Мо Государственный комитет СССР по делам изобретений и открытий(088,8) Дата опубликования описания 300580(54) СЛЕДЯЩИЙ АНАЛОГО-ЦИФРОВОЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ Изобретение относится к измеритель. ной и вычислительной технике н может быть использовано в измерительных и управляющих вычислительных системах для контроля за изменением регулируемых параметров объектов управлейия,Известен следящий аналого-циФровой"преобразователь, содержащий компаратор и реверсивний циФроаналоговый преобразователь (1).Недостатками устройства являются пониженное быстродействие и ограниченный диапазон уровней измерения.Известен следящий аналого-циФровой преобразователь, содержащий группу компараторов, реверсивный генератор ступенчато-изменяющегося напряжения, диФФеренциальныйэлемент, соединенный с входом генератора ступенчато-изменяющегося напряжения (2),20 Однако устройство имеет низкое быстродействие.Цель изобретения - повышЕНие быстродействия в нироком диапазоне у 1 ов ней кодируемых сигналов.Укаэанная цель достигается тем, что в следящий аналого-циФровой преобразователь, содержащий блок отображения данных, генератор ступенчатого ЗЯ напряжения, диФФеренциальный, элементи измерительные компараторы, введены,элемента. ИЛИ, отдельный элемент НЕ,отдельный триггер, коммутатор, ыунирующие ключевые элементй декадный,делитель, триггеры памяти, элементвременной задержки, отдельный ключевой элемент, причем масштабный делитель включен между измерительнойи общей шинами устройства, первые"входы Масштабных компараторов соединены с выходом первого опорного источника, вторые входы - с выходамисоответствующих ступеней масштабного делителя, а выходы - с входамикодового регистра масштаба, выход которого соединен с входом блока отображения данных, аналоговые ключевыеэлементы, первые входы которых соединены с выходами соответствующих"Я 7=пеней масштабного Делителя, второйвход первого аналгового ключа черезэлемент НЕ -с выходом масштабногОкомпаратора, вторые входы последую,щих аналоговых ключей - с выходами1738150 соответствующих масштабных компараторов через последовательно соединенные элементы И и НЕ, а вторыевходы элементов И - с выходами предыдуших масштабных компараторов;Опорный вход первого компараторареверса соединен с выходом генератора ступенчатого напряжения, спервым входом дифференциального элемента и через декадный делитель собщей шиной устройстэа; вход перво" ;го компаратора реверса : с выходами (Оаналоговых ключей, входами измерительных кбйпараторов, входом второго- компаратора реверса, опорный входкоторого связан с выходом дифферен "а 4 ального элемента, второй вход которого соединен с выходом второгоопорного источника, Выход первогокомпаратора.реверса непосредственно,а"выход второго компаратора реверсачерез отдельный элемент НЕ соединены""свходайи-отдельного триггера и первого элемента ИЛИ, выход которогосвязан с входами запуска генератора" ступенчатого напряжения и коммутатора и с входом элемента временнойзадержки, выход которого через отдельный ключевой элемент соединен скоммутируЮщнм входом блока отображения данных. Выход отдельного триггера соединены с первым и вторымвходами реверса генератора ступенча"того напряжения и коммутатора, выходы которого через шунтирующие,ключевые элементы подключены к ступенямсФтветствуюших декад декадного делителя, а кодовый выход коммутатора - ЗЗс кодовым входом блока отображенияданных, Опорные входЫ измерительныхкойпараторов соединены с соответствующими ступенями младшей декадыдекадного делителя, а выходы - свходами второго элемента ИЛИ и триггеров памяти, выходы которых соединены с цифровыми входами блока отображения данных, а выход элементаИЛИ - с управпяющим входом отдельного ключевого элемента.Структурнаяэлектрическая схемаустройства приведена на чертеже,Устройство содержит измерительнуюшину 1, общую шину 2, масштабный дели-Отель 3, масштабные компараторы 4,элементы не 5, элементы и 6, аналоговые элементы 7, опорный источник 8,кодовый регистр 9 масштаба, элементИЛИ 10, генератор 11 ступенчатогоНапряжения с входом 12 запуска, входами 13 и 14 реверса и выходом 15, отдельный триггер 16, отдельный элемент НЕ 17, опорный источник 18,дифференциальный элемент 19, компараторы 20, 21 реверса., измерйтельные 40компараторы 22 коммутатор 23 с выходами 24, входами 25 и 26 реверса,входом 27 запуска и кодовым выходом28, шунтирующие ключевые элементы 29,декадный делитель со ступенями 430 (В)р 31 (В 10)уеу 32 (В 10" ) ), и ступенями 33 д(В 10 (ф") ), элемент ИЛИ 34, триггеры 35 памяти, элемент 36 временной задержки)отдельный ключевой элемент 37, блок 38 отображения данных.Устройство работает следующим образом.Измеряемая величина, поступившая на измерительную шину 1, преобразуется масштабным делителем 3, распределяется по его ступеням и сравнивается параллельно в масштабных компараторах 4 с .набором уровней квантования, образуемых на ступенях делителя 3 образцовым сигналом опорного источника 8. Уровень сигнала опорного источника 8 задается равным максимальному значению сигнала генератора 11 (источника образцового сигнала последовательного уравновешивания), который равен верхнему гра- ничному значению условного младшего предела, Если измеряемая величина находится в границах условного младшего предела, то ни один из масштабных компараторов 4 не выдаст сигнала больше, равного, например, единичному. В этом случае инвертированным в элементе НЕ 5 нулевым сигналом масштабного компаратора 4, подсоединенного к измерительной шине 1,замкнется аналоговый ключевой элемент 7 в цепи измерительной шины 1 и оба компаратора 20 и 21 реверса, а также все измерительные компараторы 22 подключаются к измерительной шине 1.одновременно аналоговый ключевой элемент 7 на каждом последующем выходе (последующей ступени) масштабного делителя 3 оказывается разомкнутьвв нулевым сигналом элемента И 6, подключенного к масштабному компаратору 4 в цепи предыдущей ступени масштабного делителя.Если измеряемая величина превышает условный младиий предел, то соответствующая часть масштабных компараторов 4, начиная с масштабного компаратора 4 на измерительной шине 1, срабатйвает, а аналоговые элементы 7, подключенные параллельно этим масштабным компараторам 4, охажутся разомкнутыми нулевыми сигналами соответствующих элементов И 6. Нулевым сигналом первого из несработавших компараторов 4,инвертированным в элементе НЕ 5 в цепи данного масштабного компаратора 4, и единичным сигналом сработавщего масштабного компаратора 4, соседнего с данным, открывается ключевой элемент 7, подсоединенный параллельно данному масштабному компаратору, и тем самым оба компаратора 20 и 21 реверса "и все измерительные компараторы 22 подключаются к соответствующему выходу масштабного делителя 3, Остальные аналоговые ключевые элементы30 Выходное напряжение генератора 11 распределяется по ступеням 33 с равным и постоянным приращением, образуя равномерную шкалу квантования 5 О измеряемого сигнала по уровню в укаэанных пределах, Если уголовный младший предел измерения и амплитуда ,напряжения генератора 11 равны А=10", где и - число декад, требуе мое количество уровней квантования Р, диапазон представления чисел в блоке аналого-цифрового преобразователя,считывания 10 , где К - соответствующее число младших декад, то величина единичной ступени напряжения генератора 111 р- , а количество этих ступеней выбирается равным ф, т,е. равным Р 10 ф,Генератор 11 является реверсивным. В исходном состоянии устройст 7 остаются раэомкнутыми. Таким образом, на вход компараторов 20, 21 и22 передается масштабно-преобразо-,ванный измеряемый сигнал, но всегдав границах условного младшего предела.В исходном состоянии (цепь внешнего сигнала сброса на чертеже непоказана) все триггеры 35 находятсяв нулевом положении, а все шунтируюшие ключевые элементы 29 закрытысигналами коммутатора 23, тем самымступени 30, 31, 32 декадного делителя оказываются эакороченными,Уровень единичной ступени выходного напряжения генератора 11 выбирается в границах одной или нескольких предпоследних младших декад кода измеряемой величины, исходя изтребований быстродействия и точнос-,ти измерений, а также количестваступеней 33 декадного делителя, Число декад остальных ступеней декад Оного делителя и их номиналы иэ перечисленного ряда определяются числомступеней и амплитудой напряжения генератора 11. Совместно с измерительными компараторами 22 ступени 33 декадного делителя образуют аналогоцифровой преобразователь считывания,работающий в пределах одной илинескольких младших декад, количество которых обусловлено требуемымбыстродействием и допустимой погрешностью измерений (числом уровнейквантования), Укаэанные требованияобеспечивают выбором оптимальногосоотношения между значением уровняединичной ступени напряжения генератора 11 и числом ступеней 33 декадного делителя с измерительнымикомпараторами 22, т.е, числом уровней квантования единичной ступенигенератора 11 и соответственно измеряемого сигнала, исходя из возможного быстродействия используемыхэлементов, с учетом временных (спектральных) характеристик измеряемогосигнала,45 ва выходное напряжение генератора 11 устанавливают на уровне первой ступени, равном Ь . Так как ступени 30-32 декадного делителя закорочены, то напряжение д генератора 11 в качестве опорного распределится по измерительным компараторам 22 в соответствии с дискретными ступенями 33 декадного делителя, Опорное напряжение при этом на каждом измерительном компараторе 22 отличается от соседнего измерительного компаратора на величину(ь/(О"1Измеряемый сигнал непосредственноили после масштабного преобразованиясравнивается в измерительных компараторах 22 с указанной совокупностью(декадной шкалой) дискретных опорныхуровней, Если измеряемый сигнал непревышает уровня первой ступени напряжения генератора 11 ь, то срабатывает соответствующая часть компараторов22, сигналы сравнения которых, представляющие собой единичный код, запомнят подключенные к этим компараторам триггеры 35. Одновременно сигналы сравнения через элемент ИЛИ34 и через норма)ьно открытый отдельный ключевой элемент 37 поступают вблок 38. По этим сигналам выполняется считывание единичного кода иэ триггеров 35 в память блока 38,Положение каждого триггера 35 однозначно определяется значением выход"ного сигнала, подключенного к немуизмерительного компаратора 22,Всякое изменениевыходного сигналакомпаратора 22, т.е. появление на еговыходе единичного или нулевого сигнала, отображается соответствующимтриггером и одновременно, по любомуиз этих сигналов сравнения при изменении их значения (Фомируюшие цепи могут включаться в элемент ИЛИ 34или отдельный клюцевой элемент 37),.выполняется считывание очередного текущего значения кода из всех триггеров35 в блок 38. Если измеряемая величина остается постоянной, то состояние триггеров 35 также не меняется.Таким образом, при изменениях измеряемой величины в границах ступенинапряжения Ь генератора 1.1 обеспечивается следящее параллельноеуравновешивание и коднрование приращенийэтой величины, а также считываниесоответствующих единичных кодов вблок 38. В рассматриваемом случаеорганизации кодирования приращенийи считывания кодов исключается избыточность отсчетов,Сигналы на переключение генератора 11 и коммутатора 23 формируюткомпараторы 20 и 21 реверса. Компаратор 21 реверса следит за изменением измеряемой величиной и формирует Сйгналы управления п ее возрастании, а компаратор 20 реверса -738150 55 Кодирование приращений и считывание кодов выполняется аналогично описанному, "Гфи его уменьиении, К опорному входу.компаратора 20 подводится напряжение,уменьшенное на величину Ь по сравиению с опорным напряжением компаратора 21, Это достигается включением 3 уСтройство опорного источника 18,.напряжение которого в дифференциальном элементе вычитается из опорногонапряжения, подводимого к опорномувходу компаратора 21 реверса, т.е.из выходного напряженйя генератора11. Когда приращение измеряемой веЛИчины при ее возрастании достигнетуровня а или превысит его, сработаютоба компаратора реверса. Инвертированнйй в элементе НЯ 17 единичный сигналсравнения компаратора 20 при этом не 15будет воздействовать на цепи управления генератора 11 ГСН и коммутатора23, в то же время единичный сигналсравнения компаратора 21 переключитотдельный триггер 16, запоминающий 20бчередность срабатывания компараторов 20, 21, который подтвердит иливключит направление действия генератора 11 (режим увеличения ступенчатого напряжения), а также коммутатора 23 (режим размыкания шунтирующих ключевых элементов 29 и включениесоответствующих ступеней декадногоделителя). Одновременно сигнал сравнения компаратора реверса 21 через элемент ИЛИ 10 вбздействует на вход 12запуска генератора 11 и вход 27 запуска коммутатора 23, При этом генератор 11 переключается, и на его выходе Формируется напряжение, равноедвум ступеням Ь, а коммутатор 23Размыкает шунтирующий ключевой элемент 29 первой ступени 32 декадного .делителя, непосредственно подключенной к цепочке ступеней 33. так какпри этом с увеличением напряжения 40генератора 11 пропорционально возросло и сопротивление декадного делителя (Общее сопротивление ступеней33 равно сопротивлению одной ступени 32),.то поиращение напряжения наСоседних ступенях 33 делителя сохранится прежним, равным)д/0"1, но возрастетпри этом на каждой ступени33 по абсолютному значению на величину д . Далее работа устройстваслежение за измеряемой величиной вграницах стуйени д и считываниесигналов кодов с триггеров 35, кодоэого регистра 9 и кодового выхода28 коммутатора 23 (код коммутаторапредставляет старшие декады измеряемой величины) происходит аналогично описанному.При каждом переключении генератора 11 и коммутатора 23 одновременно включается элемент 36, выполнениый, .иалример, в виде одйовибратора. Выходным сигналом этого элемента 36 блокируе.ся отдельный ключевойвлемеит, 37 иа" время" переходногопРоцесса перекл.учения генератора 11 б 5 и коммутатора 23 и тем самым исклю-чается считывание с триггеров 35ложной информации. Цо завершениидействия сигнала элемента Зб из Фронта его окончания формируется импульс (цепи формирования входят вэлемент Зб или отдельный ключевойэлемент 37), который через деблокированный ключевой элемент 37 передается в цепь считывания блока 38.По мере возрастания измеряемой величиныойисанный процесс ее сравнен 1 я с равномерной шкалой уровнейквантования, Формируемой на ступеняхЗЗ и изменяющейся на величину ь всоответствии с последовательным росТом напряжения Генератора 11 и вклю-чением (деблокировкой) отдельныхступеней 32, 31, 30 декадного делителя в каждом такте появления сигналасравнения компаратора 21 реверса, атакже считывание кодов повторяетсядо тех пор, пока измеряемая величина не начнет уменьшаться. Когда измеряемый сигнал уменьшится на вели"чину, равную д,или несколько превыситее, выходной сигнал,компаратора 20реверса станет нулевым и после инвертирования в элементе НЕ 17 переключит отдельный триггер 1 б, которыйв свою очередь переключит генератор11 в направлении уменьшения выходного напряжения для уравновешивания,а коммутатор 23 - в направлении шунтирования ступеней декадного делителя, Одновременно по инвертированному (единичному) сигналу компаратора20 реверса, выходное напряжениегенератора 11 уменьшится на одну ступень Ь и коммутатор 23 отключит соответствующую ступень декадного делителя, Таким образом, при уменьшенииизмеряемой величины повторяетсяпроцесс ее уравновешивания, но ужепропорционально уменьшающимся образЦбвым сигналом, формируемым генератором 11 на ступенях 33, с последовательным отключением (шунтйрованием) ранее включенных в декадный делитель ступеней, Отключение ступеней при этом происходит в обратном порядке, начиная с первойдеблокированной, подключенной кобшей шнне 2-й ступени, Как и привозрастании измеряемой величины,формирование уравновешивающего сигнала в процессе уменЬшения измеряемого происхбдит с опережением вовремени и по уровню на величину (д),т,е. выполняется слежение со скоростью, превышающей скорость изменения измеряемой величины на отдельных ее участках, заданных уровнямиквантования, отстоящими друг от друга на,величину ь,Устройство обладает повышенным быстродействием в широком диапазоне уровней измеряемой величины, причем эффектинное быстродействие возрастает благодаря следящему с опеоежением по времени и уровню уравновешиванию измеряемой величины с Одновременным ее параллельным масштабным преобразованиема также вследствие кодирования и считывания только приращений измеряемой величины. 10 15 Формула изобретения Следящий аналого-цифровой преобразователь, содержащий блок отображения данных, генератор ступенчатого напряжения, дифференциальный элемент 5 Адаптивная перестройка делителяна выходе генератора ступенчатогонапряжения в соответствии с формируемям уроннем напряжения (квантования) обеспечивает постоянство абсолютной погрешности квантования поуровню в пределах одного кванта,т.е. ь/1 О", Относительная погрешностьизмерений с расширением предела приэтом уменьшается,Использование десятичной шкалы20уравновешивания и единичного кодаобеспечивает повышение информационной надежности устройства. Потериинформации, обусловленные случайнымсбоем или даже отказом элементов вотдельных разрядах, могут быть восстановлены по данным соседних разрядов. Систематический отказ в этомслучае легко диагностируется по результатам нескольких циклов измерения.При измерении периодических сигналов устройство может быть использовано н режиме накопления данных,Устройство отличается высокойстепенью регулярности структуры,что обеспечивает технологичностьего производства в виде больших интегральных схем.Предлагаемое техническое решениепозволяет строить оптимальные по 40быстродействию и затратам оборудонания цифровые устройстна для кодирования сигналов, исходя из возможнодостижимых метрологических характеристик элементов - генератора ступенчатого напряжения, компараторов, декадного делителя напряжения и др .Устройство является многофункциональным. Помимо основной функции -следящего кодирования приращений вход ной величины, оно позволяет накапли-вать данные путем периодического считывания кода из триггеров, а такжекодировать максимальное значение сигнала, если блокировать цепь передачивыходного сигнала компаратора реверса, следящего за уменьшением измеряемой величины,и измерительные компараторы, о т л ич а ю ш и й с я тем, что, с целью повышения быстродействия в широком диапазоне уровней кодируемях сигналов введены масштабный делитель, дваопорных источника, масштабные компараторы, элементы НЕ, элементы И, кодовый регистр масштаба, аналоговые ключевые элементы, два компаратора реверса, два элемента ИЛИ, отдельныйэлемент НЕ, отдельный триггер, коммутатор, шунтирующие ключевые элементы, декадный делитель, триггеры памяти, элемент временной задержки, отдельный ключевой элемент, причем масштабный делитель нключен междуизмерительной и обшей шинами устройства, первые входи масштабных компараторов соединены с выходом первого опорного источника, вторые входы соединены с выходами соответствующихступеней масштабного делителя, а выходы соедин .ны с входами, кодовогорегистра масштаба, выход которого соединен с входом блока отображения дан"ных, аналоговые ключевые элементы, первые входы которых соединены с выходами соответствующих ступеней масштабного делителя второй вход первого аналогового ключа через элемент НЕ соединен с выходом масштабного компаратора, вторые входы последующих аналоговых ключей соединенл с выходами соответствующих масштабных компараторов через последовательно соединенные элементы И и НЕ, а вторые входы элементов Исоединены с выходами предыдуших масштабных компараторов, опорный вход первого компаратора реверса соединен с,выходом генератора ступенчатого напряжения, с первым входом дифференциального элемента и через декадный делитель с обшей шиной устройства, вход первого компаратора реверса соединен с ныходами аналоговых ключей, входаии измерительных компараторон и входом второго компаратора ренерса, опорныйвход которого соединен с выходом дифференциального элемента, второй входкоторого соединен с выходом второгоопорного источника, выход первогокомпаратора реверса непосредственно,а выход второго компаратора реверсачерез отдельныйэлемент НЕ соединеныс входами отдельного триггера и первого элемента ИПИ, выход которого соединен с входами запуска генератора ступенчатого напряжения и коммутатора и с входом элемента временнойзадержки,выход которого через отдельный ключевой элемент соединен с коммутирующим входом блока отображения данных, выходы отдельного триггера соединены с.первым и вторым входами реверса генератора ступенчатого напряжения и коммутатора, выходы которого через шунтируюшие ключевые элементы подсоединены к ступенямсоответствуюших декад декадного. дели,теля, кодовый выход коммутатора соединен с кодовым входом блока отображения данных, опорные входы измерительных компараторов соединены с соответствующими ступенями младшей декадыдекадного делителя, а выходы соединены с входами второго элемента ИЛИи триггеров памяти, выходы которыхсоединены с циФровыми входами блокаотображечия данных, а выход элемента ИИПИ акаэ 2829/37одписное ТКРаж 995 атентф, П")оек т Филиал ППП г. ужгород Глгдюгю ф Фс738150 12ИЛИ соединен с управляюшим входомотдельного ключевого элемента,Источники информации,принятые во внимание при экспертизе1, Муттер В.М, Аналого-цифровыеследяшие системы. Л Энергия,1974, с,20, рис. 1-3.2, Шляндин В.Н. Цифровые электро"иэмеоительные приборы, М., Энергия, 1972, с.255, рис. 6-8 (прототип) .