Аналого-цифровой преобразователь с частотным преобразованием

,80115076 Р О ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯК АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССРПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ(56) 1. Прянишников В.А. Интегрирующие цифровые вольтметры постоянного тока. Л., ".Энергия, 1976, с,169,2. Авторское свидетельство СССР В 486473 ф кл. Н 03 К 13/20, 1975 (прототип).(54)(57) АНАЛОГО-ЦИФРОВОЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ С ЧАСТОТНЫМ ПРЕОБРАЗОВАНИЕМ, содержащий аналоговый переключатель, первый информационный вход которого соединен с входной шиной, а выход - с входом преобразователя напряжения в частоту импульсов, выход которого соединен с первым входом первого элемента И, генератор эталонной частоты, выход которого соединен с первым входом второго эле-. мента И, одновибратор гашения, выход которого соединен с входом сброса первого счетчика и с единичным входом триггера такта, единичный выход которого соединен с управляющими входами аналогового переключателя и суммирования реверсивного счетчика, нулевой выход - с управлякщим входом вычитания реверсивного. счетчика, а нулевой вход - с выходом переполнения первого счетчика, триггер цикла, единичный выход которого соединен с вторым входом второго элемента И, а нулевой вход - с выходом переполнения реверсивного счетчика, элемент ИЛИ, о т л и ч а ю щ и й -с я тем, что, с целью повышения быстродействия, в него введены аналоговый ключ, второй счетчик, третий и четвертый элементы И, аналоговый вычитатель, первый вход которого соединен с шиной опорного напряжения, выход - с вторым информационным входом аналогового переключателя, а второй вход - с выходом аналогового ключа, информационный вход которого соединен с входной шиной, а управляющий вход - с выходом четвертого элемента И, первый вход которого соединен с единичным выходом триггера цикла, единичный вход которого ф соединен с нулевым входом триггерае такта, при этом второй вход четвертого элемента И соединен с первым входом третьего элемента И и с единичным выходом старшего разряда второго счетчика, нулевой выход старше- Е го разряда которого соединен с вторым ра входом первого элемента И, выход ко- мм торого соединен со счетным входом СЛ второго разряда первого счетчика, а третий вход - с единичным выходом триггера такта и с вторым входом третьего элемента И, выход которого соединен с первым входом элемента ИЛИ, второй вход которого соединен с выходом второго элемента И, а выход - с входом первого разряда первого счетчика,выходы разрядовкоторого соединеныс выходными шинами, причем третий вход третьего элемента И соединен с выходом генератора эталоннойчастоты исо счетным входом второго счетчика, вход сброса которого соединен с входами сброса первого и реверсивного счетчиков, счетный вход последнего соединен с выходом преобразователя напряжения в частотуимпульсов.111507Изобретение относится к импульс-ной технике в частности к преобразователям напряжения в цифровой код спромежуточным преобразованием в частоту импульсов.5Известен аналого-цифровой преобразователь (АЦП) с частотным преобразованием, содержащий преобразовательнапряжения в частоту (ПНЧ), цифровойчастотомер, вход кооого соединен с 1 Овыходом НВЧ 11.Недостатком данного АЦП являетсязависимость результата преобразования от времени преобразования и открутизны преобразования ПНЧ.Наиболее близким по техническойсущности к предлагаемому являетсяаналого-цифровой преобразователь,содержащий аналоговый переключатель,через который клеммы входного и опор бного напряжений подключены к входууправляемого генератора (ПНЧ), выход которого соединен через первуюсхему И с входом реверсивного счетчика, выходы которого соединены свыходом дешифратора нулевого кода,генератор эталонной частоты выходомчерез вторую схему И соединенный свходом счетчика Формирования временного интервала, одновибратор гашения,зкоторый соединен выходом с входомсброса счетчика Формирования временного интервала и с единичными входамитриггеров цикла и такта, первый изкоторых единичным выходом подсоединен к вторым входам схем И, третьивходы которых соединены с выходомодновибратора блокировки со схемойИЗП 1 на входе, нулевым входом - к выходу переполнения реверсивного счетчика, а второй единичным выходом - фк первому входу схемы ИЛИ, управляю-.щему входу аналогового переключателя и управляющему входу суммирования реверсивного счетчика, нулевымвыходом - к вычитающему входу последнего и к второму входу схемы ИЛИ,а нулевым входом - к выходу переполнения счетчика временного интервала Г 23.Недостатком этого устройства яв- фоляется малое быстродействие преобразования.Цель изобретения - повышение быст.родействия,Поставленная цель достигается Отем, что в аналого-циФровой преобразователь с частотным преобразованием,содержащий аналоговый переключатель 69 3первый информационный вход которого соединен с входной шиной, а выход - с входом преобразователя напряжения в частоту импульсов, выход которого соединен с первым входом первого элемента И, генератор эталонной частоты, выход которого соединен с первым входом второго элемента И, одновибратор гашения, выход которого соединен с входом сброса первого счетчика и с единичным входом триггера такта, единичный выход которого соединен с управляющими входами аналогового переключателя и суммирования реверсивного счетчика, нулевой выход - с управляющим входом вычитания реверсивного счетчика, а нулевой вход - с выходом переполнения первого счетчика, триггер цикла, единичный выход которого соединен с вторым входом второго элемента И, а нулевой вход - с выходом переполнения реверсивного счетчика, элемент ИЛИ, введены аналоговый ключ, второй счет чик, третий и четвертый элементы И, аналоговый вычитатель, первый вход которого соединен с виной опорного напряжения, выход - с вторым информационным входом аналогового переключателя, второй вход - с выходом аналогового ключа, информационный вход которого соединен с входной ши. ной, а управляющий вход - с выходом четвертого элемента И, первый вход которого соединен с единичным выходом триггера цикла, единичный вход которого соединен с нулевым входом триггера такта, при этом второй вход четвертого элемента И соединен с первый входом третьего элемента И и с единичным выходом старшего разряда второго счетчика, нулевой выход старшего разряда котс ого соединен с вторым входом первого элемента И, выход которого соединен со счетным входом второго разряда первого счетчика, а третий вход - с единичным выходом триггера такта и с вторым входом третьего элемента И, выход которого соединен с первым входом элемента ИЛИ, второй вход которого соединен с выходом второго элемента И, а выход - с входом первого разряда первого счетчика, выходы разрядов которого соединены с выходными шинами, причем третий вход третьего элемента И соединен с выходом генератора эталонной частоты и со счетным входом второго счетчика, входсброса которого соединен с входами сброса первого и реверсивного счетчиков, счетный вход последнего соединен с выходом преобразователя напряжения в частоту импульсов, 5На фиг.1 изображена блок-схема АЦП; нафиг.2 - временная диаграмма работы АЦП.Аналого-цифровой преобразователь содержит шину 1 запуска, одновибратор 10 2 гашения, первый счетчик 3, триггер 4 цикла, триггер 5 такта, реверсивный счетчик 6, объединенный с дешифрато" ром нулевого кода, аналоговый переключатель 7, преобразователь 8 напря женин в частоту импульсов, входную шину 9, генератор 10 эталонной частоты, элемент ИЛИ 11, элементы И 12-15, аналоговый ключ 16 и вычитатель 17, шину 18 опорного напряжения, второй 2 О счетчик 19, выходные шины 20 кода результата преобразования.На временной диаграмме обозначены: сигнал 21 запуска АЦП в работу, выходные "1" сигналы 22 и 23 триггеров 25 цикла 4 и такта 5, выходной фО" сигнал 24 старшего разряда счетчика 19, сигналы 25 и 26 включенного состояния элемента И 12 и 14, импульс 27 переполнения счетчика 3, сигнал 28 вклю- Зо ченного состояния ключа 16, сигнал 29 подключения к ПНЧ 8 опорного напряжения, импульс 30 переполнения счетчика 6 и окончания преобразования.Б аналого-цифровом преобразовате- З 5 лр (фиг.1) входная шина 9 соединена с первым входом аналогового переключателя 7, выход которого соединен с входом преобразователя 8 напряжения в частоту импульсов, выход которого соединен с входом реверсивного счетчика 6 и к первому входу первого элемента И 12, входные шины 18 опорного напряжения соединены с суммирующим входом аналогового вычитателя 17, имею щего ключ 16 на вычитающем входе, и выходом подключенного к второму вхо" ду аналогового переключателя 7, вход ключа 16 подключен к входной шине 9, генератор 1 О эталонной частоты, выход 50 которого соединен с входом второго счетчика 19 и с первым и третьим входами второго и третьего элементов И 13 и 14 соответственно, одно- вибратор 2 гашения, вход которого 55 соединен с шиной 1 запуска, а выход,с входами сброда счетчиков 3, 6 и 19 и с единичным входом триггера 5 такта, единичный выход которого соединен с третьим и вторьм входами первого и третьего элементов И 12 и 14 соответственно, с управляющим входом аналогового переключателя 7 и управляющим входом суммирования реверсивного счетчика 6, нулевой выход - с управлякщим входом вычитания последнего, а нулевым входом - с выходом переполнения первого счетчика 3 и с единичным входом триггера 4 цикла,единичщий выход которого соединен с вторым входом второго элемента И 13и с первым входом четвертого элемента И 15, а нулевой вход - с выходом переполнения реверсивного счетчика 6, выходные шины 20 соединены с вы-.ходамипервого счетчика 3, счетный вход второго разряда которого соединен с выходом первого элемента И 12, а счетный вход его младшего разряда - с выходом элемента ИЛИ 11, второй вход которой соединен с выходом второго элемента И 13, а пер" вый вход - с выходом третьего элемента И 14, первым входом подсоединенной к второму входу четвертого элемента И 15 и к единичному выходу старшего разряда счетчика 19, а нулевой выход последнего соединен с вторым входом первого элемента И 12АЦП работает следующим образом.По сигналу 21 запуска одновибратор 2 устанавливает в исходное состояние все счетчики 3, 6 и 19 и в "1" состояние триггер 5 такта. Начинается первый такт измерения входного сигнала, который по входной шине 9 с помощью переключателя 7 подается на вход ПНЧ. Выходные импульсы ПНЧ 8 поступают на вход младшего разряда реверсивного счетчика 6 и через элемент И 12 - на вход второго младшегоразряда счетчика 3. Одновременноимпульсы эталонной частоты от генератора 1 О подсчитываются счетчиком 19. Старший разряд этого счетчика с помощью сигналов с его "0" и "1"выходов управляет элементами И 12,14 и 15. В АЦП частота й генератора 10 выбрана такой, что за время, равное половине времени измерения ( Т)1 в счетчик 19 поступает число импульсов Уо, равное его половинной емкости И, т.е. И= у И = - Т 0 Е (1)С 2где Я - емкость счетчиков 3 и 6,115076 как и в прототипе, а частота генератора 10 увеличена вдвое,За это время (сигнал 25 длительностью - Т ) в счетчике 3 накопляет 2 ося число импульсов Иц , поступающих 5 от ПНЧ 8 и удваиваемых, благодаря их подаче на вход второго младшего разряда; И=2 Ц, - То Я=ЦТ,З.1(2) 10 Это число представляет собой промежуточный результат преобразования.По истечении времени - Т старо ший разряд счетчика 19 переходит иэ 15 "0" состояния (сигнал 24) в "1" и включает элемент И 14 (сигнал 26). От генератора 10 импульсы поступают на вход младшего разряда счетчика 3 через элемент И 14 и элемент ИЛИ 11, О Накопленное в нем число Иувеличивается и через время Т, равноеТ=-Т-И1,1о(3)о 25 наступает переполнение счетчика 3 (сигнал 27) и во всех его разрядах устанавливается нулевой код.Сигнал 27 устанавливает в "О" состояние триггер 5 такта и в н 1" сос таяние триггер 4 цикла.Триггер 4 цикла сигналом 23 с выхода открывает элементы И 13 и 15. Через первый иэ них импульсы от генератора 10 поступают на вход счетчика З 5 3 через элемент ИЛИ 11, а второй- включает ключ 16, который подключает 11 к вычитающему входу вычитателя 17, и на его выходе формируется сигналЬ 11 =ц -ц, так как к суммирующему 40 входу вычитателя с шины 18 подано напряжение 01 .Триггер.5 такта выходными сигнала- ми с помощью переключателя 7 отключает от ПНЧ 8 0 и подключает к нему 45 Ю, выключает элементы И 12 и 14, переключает реверсивный счетчик 6 на режим вычитания.С этого момента начинается такт компенсации (сигнал 28) накопленного 50 числа И, в счетчике 6Пх( Ть Т )8=Ох(То -И у-)8 (4) импульсами от ПНЧ 8. на входе которого действует напряжение Ф 11.Второй такт заканчивается при пе 55 реполнении счетчика 19, т.е. через .время То, когда заканчивается измерение входного сигнала(5) В течение Тг второго такта в счетчик 3, который перед его началом имеет во всех разрядам нулевой код, поступает Иимпульсов от генератора 10, и таким образом в нем автоматически восстанавливается код промежуточного результата преобразования И, полученный ранее вначале первого такта преобразования.За это же время Тг в счетчике 6 выполняется вычитание числа импульсов И Иг"ьОТ 28 Я -13 )И - 8, (6)1о Для обеспечения полной компенсации числа М числом М (И=И ) необходимо, чтобы соотношения между параметрами имели следующий вид: Б (Т -И ) (11 -13 )И1 1 х о х у х Х фо о ПхТо=Н, И, 1о(8) ЬИ Ух То Я-У Их.,Б1о(9) В третьем такте это числа компенсируется импульсами от ПНЧ до нуля. Время этой компенсации определяет длительность Т 5 третьего такта коррекции промежуточного результата преобразования И,По окончании второго такта переключается старший разряд счетчика 19 в "0" состояние и ега выходные сигналы 24 выключают элемент И 15 и ключ 16, Поэтому на вход ПНЧ 8 поступает от вычитателя 17 напряжение Ц (сигнал 29), Начинаетея третий такт коррекции нрощ жутачнаеа результата И имнульгамн т ген:ра -Из-за разброса и нестабильности параметров ПНЧ 8 и в основном из-за влияния параметра Я на получение промежуточного результата преобразования М в счетчике 6 может остаться число ЬБ=И-И 2, которое с учетом (4) и (6) равно(16) 7, . 1150 тора 10, который проходит через элемент И 13 и ИЛИ 11 на счетчик 3.За время Тэ на вход счетчика 6 поступает Иэ импульсов: а на вход счетчика 3 И импульсов: В момент компенсации числа дИ им пульсами Иэ, когда выполняется равенство й И=И(12), на выходе счетчика 6 появляется сигнал 30 его переполнения, по которому триггер 4 цикла устанавливается в "0" состояние, и на 15 этом преобразование заканчивается,Подставив в выражение (12) значения АИ,И (9) и (10) и используя (1 1) получаем Таким образом, по окончании тре тьего такта получается числовой эквивалент И входного напряжения БхИх+И хг ф (14) код которого устанавливается на вы- З 0 ходных шинах 20,При этом на получение И затрачено время Тэ =То+Тэ =(2 Ио+Ихг ) х1о хгх ч 1)о и является положительным эффектом изобретения.Эффективность изобретения по увеличению быстродействия зависит от величины Ихг или затрат времени на третий такт коррекции, длительность которого увеличивается Т по сравнению с временем измерения То .При наличии полной компенсации во 45 втором такте ИХ 2=0 и То 1 гТоПри недокомпенсации время Т определяется из выражения (10), используя (12) и (9): 1Т = -- =Т -Ц Т Яоо Если в АЦП путем подстройки крутизны ПНЧ обеспечить соотношение параМЕтрОВ )Э ОО х = 1 (11), тО Т раВ 769 8но нулю, и время преобразования равно времени измерения Т или Т =ТС Р дНо разброс и нестабильность вовремени параметров АЦП приводит куменьшению крутизны ПНЧ, т.е. Это приводит к необходимости выполнения третьего такта, максимальная длительность Т которого при У=3, с учетом выражений (17) и (18) ранна т: т-О т 5 - +О т ь 5 - :"хв1эв Ц о хоп о о хв оэо о Т = К -- =й -- = - т - (го)аЬ 1 45 1 1 ДБ эв хп 5о 52 ф Из этого выражения видно, что дополнительные затраты времени Т на получение И по сравнению с времехгнем измерения То незначительны и зависят от разброса и нестабильности крутизны ПНЧ, т.е. отЬ 5Относительная величийа затрат времени Тэ, в сравнении с временем измерения Т входного сигнала равнаТ 1 БЯ = -- = -- или Т = Т .(21)Т 2 БМаксимальное время преобразования при Их=Ов АЦП равно Таким образом, сравнивая это время с временем преобразования прототипа Т, =2 То, видно, что оно уменьшилось в К раз и равно Таким образом, в предлагаемом АЦП достигнуто повышение быстродействия по сравнению с прототипом. Преобразование в АЦП выполняется в течение времени измерения, обеспечивая существенное сокращение или даже полное устранение затрат времени на третий такт коррекции промежуточного результата преобразования, получаемого в первом такте измерения.. по делам изобретений и откр 113035, Иосква, Ж, Раущская