Функциональный аналого-цифровой преобразователь

09 11) ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССРПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОЗНРшеТ 19ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕН АВ ГОИЯОМ ЕЛЬ У 21) 22) 593316/18-249.05.835.09.84. Бюл.Я,Грошеваучно-исследектронной ини ордена Октна Трудовогохническом ин(72) В (71) Н вательский кистироскопии прибрьской РеволюциКрасного Знаменититуте им.С.М.Ки тут элТомск и орд полит о ССС77. СССРС 7/26 ова 53) 681.335(088.8) 56) 1. Авторское свидетельст 706924, кл. Н 03 К 13/02, 1 2, Патент США У 4110746,кл. Н 03 К 13/02, опублик. 19 3. Авторское свидетельство о заявке У 3496095, кл. 6 06 982 (прототип).(54)(57) ФУНКЦИОНАЛЬНЫЙ АНАЛОГО-ЦИФРОВОЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ, содержащийрегистр, выходы которого являютсявыходами преобразователя, а вход управления записью соединен с выходомпорогового блока, подключенноговходом к входу ограничителя и.выходунеинвертирушщего операционного усилителя, соединенного входом с выходом инвеотирующего интегратора, входкоторого подключен к выходам первого и второго ключей, информационныйвход первого ключа через первый масштабный резистор соединен с входомпреобразователя, информационныйвход второго ключа подключен к первому выводу второго масштабного резистора, а управляющие входы первого ивторого ключей соединены соответственно с первым и вторым выходамитриггера управления, подключенного зсю С 06 С 7/26 С 06 Я 3/00 счетным входом к выходу старшего разряда первого счетчика, соединенного счетным входом с выходом переноса второго счетчика, подключенного счетным входом к выходу первого тактового генератора, и источник опорного сигнала, содержащий узел;формирования производной, группу потенциометров и два мультиплексора, причем узел формирования производной выходом соединен с вторым выводом второго масштабного резистора, управляющими входами - с выходами разрядов второго сетчика, а аналоговыми входами - с выходами первого и второго мультиплексоров,управляющие входы которых подклю-чены к выходам разрядов первого счетчика причем каждый потенциометр группы соединен первым и вторым выводами с выходом ограничителя и шиной общего потенциала преобразователя соответст- ф:Ф венно, вывод подвижного контакта каждого 1-го (1 ь 1 с о - 1), где и-количество потенциометров в группе) потенциометра группы подключен к (1 + 1)-му сигнальному входу первого мультиплексора и к 1 -му сигнальному входу второго мультиплексора, а вывод подвижного контакта п-го потенциометра группы соединен с и-м сигнальным входом второго мультиплексора, о т л и ч а ю щ и й с я тем, что, с целью повышения точности преобразователя и расширения области его )фЬ применения, в преобразователь дополнительно введены третий счетчик, второй тактовый генератор, третий ключ, триггер полярности, третий масштабный резистор и дешифратор, подключенный входами к выходам разрядов первогосчетчика, а выходом - к входу управления реверсом второго счетчика, причем первый сигнальный вход первогомультиплексора соединен с вторым сигнальным входом второго мультиплексора, выход второго тактового генератора подключен к счетному входу третьего счетчика, соединенного выходамиразрядов с информационными входамирегистра, а входом обнуления - с управляющим входом второго тактовогогенератора и первым выходом триггера 13313управления, подключенного вторым выходом к стробирующему входу триггераполярности, соединенного информационным входом с выходом неинвертирующего операционного усилителя, а выход ограничителя через третий масштабююй резистор подключен к выходу третьего ключа, соединенного информационным входом с входом инвертирующего интегратора, а управлякиця 1 входом - с входом порогового бло- ка, Изобретение относится к автоматике и вычислительной технике, в частности к преобразователям аналоговой величины в код, предназначенным для компенсации нелинейнЬсти измеритель ных датчиков.Известен Функциональный аналогоцифровой преобразователь, содержащий интегратор, ключи, источники опорных напряжений, компаратор, логический:10 блок, сумматоры переключатель, инвертор, и масштабный блок 13Известен также функциональный ана" лого-цифровой преобразователь, содержащий интегратор, ключи, масштабные резисторы, источник опорного напряже" ния, триггер, токовый генератор, счетчик и компаратор 2).Общие недостатки этих преобразователей - пониженная точность и ограни-20 ченная область применения. Наиболее.близким к изобретению является Функциональный аналого-цифровой преобразователь, содержащий регистр выходы которого являются выходами преобразователя, а вход управ-. ления запйсью соединен с выходом порогового блока, подключенного входомк входу ограничителя и выходу З 0 неинвертирующего операционного усилителя, соединенного входом с вьаодом инвертирующего интегратора, вход которого подключен к выходам перво.го и второго ключей, информационный 35 вход первого ключа через первый масштабный резистор соединен с входом преобразователя, информационный вход второго ключа подключен к первому выводу второго масштабного резистора, а управляющие входы первого и второго ключей соединены соответственно с первым и вторым выходами триггера управления, подключенного счетным входом к выходу старшего разряда первого счетчика, соединенного счетным входом с выходом переноса второго счетчика, подключенного счетным входом к выходу первого тактового генератора, и источник опорного сигнала, содержащий узел формирования производной, группу потенциометров и два мультиплексора, причем узел формирования производной выходом соединен с вторым выводом второго масштабного резистора, управляющими входами - с выходами разрядов второго счетчика, а аналоговыми входами - с выходами первого и второго мультиплексоров, управляющие входы которых подключены к выходам разрядов первого счетчика, причем каждый потенциометр группы соединен первым и вторым выводами с выходом ограничителя и шинойобщего потенциала преобразователя соответственно, вывод подвижного контакта каждого 1-го (1 с 1 Ф п -1. где и - количество потенциометров в группе) потенциометра группы подключен к ( 1 + 1)-му сигнальному входу первого мультиплексора и к 1 -му сигнальному входу второго мультиплексора, а вывод подвижного контакта 1-го потенциометра группы соединен. с 1 -м сигнальным входом второго мультиплексора, причем инФормационные1113входы регистра соединены с выходамипервого и второго счетчиков 13 3.Недостаток преобразователя - пониженная точность из-за невозможности автоматической установки значенияпараболической составляющей на первом интервале аппроксимации, а такжеиз-за включения между выходом ограничителя и входом неинвертирующего интегратора источника опорного сигнала,10коэффициент передачи которого можетбыть существенно меньше единицы,чтоснижает глубину отрицательной обратной связи в уравновешенном режиме,Кроме этого, преобразователь не позволяет осуществить вывод информациинепосредственно в единицах измере. ния и не имеет индикации полярностипреобразуемого сигнала, что ограничивает область его применения,20 Цель изобретения - повышение точ.ности преобразователя и расширение области его применения.Поставленная цель достигается тем,25 что в функциональный аналого-цифровой преобразователь, содержащий регистр, выходы которого являются выходами преобразователя, а вход управления записью соединен с выходом порогово- З 0 го блокаподключенного входом к входу ограничителя и выходу неинвертирующего операционного усилителя, соединенного входом с выходом инвертирующего интегратора, вход которого 35 подключен к выходам первого и второго ключей, информационный вход первого ключа через первый масштабный резистор соединен с входом преобразователя, информационный вход второго 40 ключа подключен к первому выводу второго масштабного резистора, а управляющие входы первого и второго ключей соединены соответственно с первым и вторым выходами триггера управле ния, подключенного счетным входом к выходу старшего разряда первого счет. чика, соединенного счетным входом с выходом переноса второго счетчика, подключенного счетным входом к выходу.первого тактового генератора, и источник опорного сигнала, содержащий узел формирования производной, группу потенциометров и два мультиплексора, причем узел Формирования 55 производной выходом соединен с вторым выводом второго масштабного резистора, управляющими входами - с выходами 813 4разрядов второго счетчика, а аналоговыми входами - с выходами первогои второго мультиплексоровуправляющие входы которых подключены к выходам разрядов первого счетчика, причем каждый потенциометр группы соеди"нен первым и вторым выводами с выходом ограничителя и шиной общего потенциала преобразователя соответственно,вывод подвижного контакта каждого1-го (14 1 4 и - 1, где п - количество потенциометров в группе) потенциометра группы подключен к ( 1 + 1)-мусигнальному входу первого мультиплексора и к 1 -му сигнальному входу второго мультиплексора, а вывод подвижного контакта и -го потенциометрагруппы соединен с и -и сигнальным входом второго мультиплексора, дополнительно введены третий счетчик, второйтактовый генератор, третий ключ, триггер полярности, третий масштабныйрезистор и дешифратор, подключенныйвходами к выходам разрядов первогосчетчика, а выходом - к входу управления реверсом второго счетчика,причем первый сигнальный вход первого мультиплексора соединен с вторымсигнальным входом второго мультиплексора, выход второго тактовогогенератора подключен к счетному входу третьего счетчика, соединенноговыходами разрядов с информационными входами регистра, а входом обнуления - с управляющим входом второго тактового генератора и первым выходом триггера управления подключенноговторым выходом к стробируюшему входутриггера полярности, соединенного инфор"мационным входом с выходом, неинвертирующего операционного усилителя, а выход ограничителя через третий масштабный резистор подключен квыходу третьего ключа, соединенногоинформационным входом с входом инвертирующего интегратора, а управляющим входом - с выходом пороговогоблока,На Фиг. 1 изображена блок-схема преглагаемого функционального аналого-цифрового преобразователя, на Фиг. 2 - Функциональная схема источника опорногосигнала, на фиг. 3 - схема второготактового генератора. Функциональный аналого- циФровой преобразователь (фиг. 1) содержит первый и второй масштабные реэисторы 1 и 2, первый и второй ключи 311138 и 4, инвертирующий интегратор 5 третий ключ 6, третий масштабный резистор 7неинвертирующий операционный усилитель 8, пороговый блок 9, триггер 10 управления, ограничитель11, источник 12 опорного сигнала, первый и второй счетчики 13 и 14, дешифратор 15, первый тактовый генератор 16, третий счетчик 17, второй тактовый генератор 18, триггер 1 ф 19 полярности и регистр 20. Источник.12 опорного сигнала (фиг, 2) содержит первый мультиплексор 21, группу 22 потеициометров, второй мультиплексор 23 н узел 24 Формирования произ водной. Регистр 20, выходы которого являются выходаии преобразования, соединен входои управления записью с выходом порогового блока 9, подклю" ченного входои к входу ограничителя 10 1 1 и выходу операционного усилителя 8. Вход усилителя 8 соединен с выхо-дом интегратора 5, вход которого подключен к выходаи ключей 3 и 4, информационный вход ключа ) через масштаб ный резистор 1 соединен с входои преобразователя; информационный вход ключа 4 подключен к первому выводу масштабного резистора 2, а управляющие входы ключей 3 и 4 соединены со- ЗО ответственно с первым и вторым выходами триггера 10. Счетный вход триг-, гера 10 подключен к выходу старшего разряда счетчика 13, соединенного счетныи входом с выходом переноса З 5 счетчика 14, подключенного счетным входои к выходу тактового генератора 16. Узел 24 формирования производной соединен выходои с вторым выводом масштабного резистора 2, управ" 40 ляющими входаии - с выходами разрядов счетчика 14, а аналоговыми входами - с выходами мультиплексоров 21 и 23, управляющие входы которых подключены к выходам разрядов счетчика 13. 45Каждый потенциометр группы 22 соединен первым и вторыи выводаии с выходом ограничителя 11 и шиной общего потенциала преобразователя соответственно. Вывод подвижного контак- о та каждого 1-го (1 1 ф 4 и - 1; где О - количество потенциометров в группе) потенциометра группы 22 подключен к ( 1 + 1)-му сигнальному входу мультиплексора 21 и к-му сигнально-му входу мультиплексора 23, вывод подвижного контакта и -го потенциометра группы 22 соединен с о -м сиг 13 анальным входом мультиплексора 23, а первый сигнальный вход мультиплексора 21 соединен с вторым сигнальным входом мультиплексора 23. Дешифратор 15 подключен входами к выходам разрядов счетчика 13, а выходом в .к входу управления реверсом счетчика 14. Выход тактового генератора 18 подключен к счетному входу счетчика 17, ,соединенного выходами разрядов с информационныии входаии регистра 20, а входои обнуления - с управляющим входом тактового генератора 18 и с первым выходом триггера 1 О, второй выход триггера 10 подключен к строби рующеиу входу триггера 19, соединенного информационныи входом с выходои усилителя 8. Выход ограничителя 11 через резистор 7 подключен к выходу ключа 6, соединенного информационным входом с входом интегратора 5, а уп-равляющим входом - с выходом порогового блока 9.Тактовый генератор 18 с управляющим входом (фиг, 3), по которому осуществляется фиксация фазы, содержит резистор" 25, включенный между управ - ляющимн входом и базойтранзистора 26, источник 27 смещения, времязадающий конденсатор 28, переменный резистор 29, резисторы 30 и 31 положительной обратной связи и операционынй усилитель 32.В первом такте интегрируется входное. напряжение, приложенное к входу интегратора через резистор 1 и ключ 3. Этому способствует соответствую,Щее состояние триггера 10 управления. Поскольку усилитель 8 обладает большим коэффициентом усиления, то практически вместе с поступлением тока на вход интегратора 5 он попадает в режим насыщения, при этом фазы передачи сигнала интегратором 5 и усилителем 8 выбраны таким образом, что напряжение насыщения на выходе усилителя 8 всегда имеет противоположную полярность по отношению к)полярности входного напряжения креобразователя. Это позволяет с помощью ограничителя 11 сформироватьопорное напряжение необходимой полярности, которое подается на вход источника 12 опорного сигнала. Счетчики 13 и 14 непрерывно производят.подсчет импульсов тактового генератора16, а в момент возвращения в нулевое состояние - переключают триггерУ 11138 1 О управления. При этом размыкается ключ 3 и замыкается ключ 4, подключаятем самым к входу интегратора 5 через резистор 2 выход источника 12 опорного сигнала, Источник 12 опорно" го сигнала не меняет полярность напряжения, поступающего от ограничителя 11, поэтому интегратор начинает разряжаться. Разряд продолжается до тех пор, пока интегратор 5 не воэвра О тится в исходное состояние, после чего интегратор 5 и усилитель 8 оказываются охваченными обратной отрицательной связью через ограничитель 11 и источник 12 опорного сигнала, что 15 позволяет исключить разрядный ключ для емкости интегратора 5 и устранить погрещность преобразования, связанную со сдвигом на входе усилите-, ля 8. 2013 8 передачи источника 12 опорного сигнала имеет види,- О.+( к,-к,1 " фГ КК, в -вЩ еавТаким образом, значение второй разности в данном случае находят по известным значениям первых разностей. При этом значение выходного нап" ряжения источника 12 опорного сигнала для первого и второго участков аппроксимации в их общей узловой точке составляет О ( К, + К,)/2. Следовательно, первая производная Функции линеариэации на обоих участках не имеет разрывов и является (без учета квантового характера) прямой линией . Поэтому выходное напряжение интегратора 5 для этих двух участков аппроксимации является точной параболой.Выходное напряжение источника.12 опорного сигнала является функцией .выходного кода счетчиков 13 и 14, поэтому Функция разряда интегратора является нелинейной, что позволяет осуществить функциональное преобразование значений входного сигнала. Источник 12 опорного сигнала функ-о ционирует в соответствии с выражени- ем"Вы="о (" - Кик35 где О -выходное напряжение ограничителя,коэффициенты деления потенциометров группы 22, используемых на-м учаСтке ап Опроксимации,кодовый интервал, соответствующий каждому участку аппроксимации,текущее значение кода вну-, - 45ри интервала О, п),)После интегрирования это выражение преобразуется в первую интерполя.цнонную формулу Ньютона, вычисленную 5 до вторых разностей, которая позволяет определить значение параболической составляющей на всех участках аппроксимации, кроме первого. Определение параболической составляющей на этом участке можно осуществить, используя вторую интерполяционную формулу Ньютона, при этом функция При сокращении числа узлов функциилинеариэации до двух устройство реализует степенную функцию второго порядка, программируемую по трем точкам (нуль, максимум и одно промежуточное значение), преобразуясь в параболический аппроксиматор.Для реализации рассмотренного алгоритма первый сигнальный вход мультиплексора 21 соединен с вторым сигнальным входом мультиплексора 23,что позволяет на первом и второмучастках аппроксимации испольэоватьодно значение второй разности, а дляформирования кодовой последовательф вамности вида файф в счетчике 14п,использован реверсивный режим работы.Для включения реверса на первомучастке аппроксимации используетсядешифратор 15, подключенный к выходамразрядов счетчика 13,Очевидно, что использование реверса на первом участке аппроксимацииприводит к нарушению однозначной связи между значениями входного напряжения и выходным кодом счетчиков 13 н 14Поэтому в устройство введен счет" -чик 17, наличие которого позволяетне только обеспечить необходимое функциональное соответствие между входнымнапряжением и индицируемым результатом, но и осуществить индикацию результата преобразования непосредственно в единицах измеряемого параметра,что достигается путем установки необходимой частоты тактового генератора 18 при программировании с по, мощью потенциометра 22, Для обеспечения точного фазового соотношения между кодами. счетчиков 13, 1 ч и 17 в первом такте интегрирования с соответствующего выхода триггера 10 управления на вход обнуления счетчика 17 поступает сигнал сброса который снимается одновременно с началом второго такта интегрирования.В процессе ввода значенийпри программировании в программный блок 22 с помощью соответствующих коммутирующих устройств вход счетчика 17 подключается к выходу тактового генератора 16, при этом обеспечивается абсолютная согласованность кодовых последовательностей счетчиков во втором такте интегрирования.В рабочем режиме, когда входы счетчиков 14 и 17 подключены соответственно к выходам тактовых генераторов 16 и 18, возникает фазовая погрешность за счет фазовой несог ласованности импульсных последовательностей обоих тактовых генераторов, что проявляется в неустойчивости отсчета в младшем разряде выводимого результата. Для устранения этой неустойчивости в структуре тактового генератора 18 предусмотрена цепь фиксации фазы, содержащая резистор 25, транзистор 6 и источник 27 смещения, которая управляется с соответствующего выхода триггера 10 управления и позволяет обеспечить постоянную фазу выходного напряжения тактового генератора 18 с начала второго такта интегрирования. В момент установления начальногорежима в интеграторе 5 на выходе порогового блока 9 формируется импульс,по переднему фронту которого осу ществляется запись кода счетчика 17 врегистр 20, откуда информация следует к устройствам индикации результата. Кроме того, выходной импульспорогового блока 9 замыкает ключ 6,при этом сигнал обратной связи свыхода ограничителя 11 поступает навход интегратора 5, минуя источник12 опорного сигнала.Использование ключа 6 и резисто ра 7 позволяет исключить влияние ко,эффициентов передачи группы 2 потенциометров на точность установки начальных условий интегратора 5, особенно при наличии сдвига на его входе,и повысить точность преобразования.Для расширения области примененияпреобразователя и упрощения процесса программирования в нем используется триггер 19 полярности, записьинформации о полярности входного сигнала в который осуществляется в момент окончания первого такта интегрирования, что обеспечивает максимальную помехозащищенность записи информации о полярности входного сигнала.Таким образом, введение новых.узлов и элементов позволяет повысить точность предлагаемого преобразователя и расширить область его применения 35 а также сократить объем операцийпрограммирования и исключить использование квалифицированного труда при эксплуатации устройства.1113813 ФО 2 2 Составитель С.КазиноРедактор М.Келемеш Техред И.Асталош К тор С.Черни Тираж 698 ПодпиГосударственного комитета СССо делам изобретений и открытий3035, Москва, Ж, Раушская наб., д е Филиал ППП Заказ 6621/41ВНИИПИп атент", г. Ужгород, ул. Проектная,