Комбинированный аналого-циффровой преобразователь

СОЮЗ СОВЕТСКИХСОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ А 1 8 М 1/46 ОСУДАРСТВЕННЪЙ КОМИТЕТ СССР О ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТ ПИСАНИЕ ИЗОБ НИ ТОРС 4026511/2425,02,8630.12.87.Уфимский аерго ОрджоА.И.Иванов681,325 (ОГнатек Ю.Р1982, с.Шпяндин В.М.йства, 198 юл. В 4 титут онныи икидзеи С,М.Яковл(57) Изобре тельной тех ригге- р. ф ндика ение относится к вычислиике, в частности к комби-. налого-цифровым преобраованным(21) (22) .(46) (71) им. С (72) (53) (56) и АПП У СВИДЕТЕЛЬСТВУ зователям, и может быть использованодля преобразования напряжения посто-янного тока в цифровой код. Цельюизобретения является повышение.помехоустойчивости путем перехода в режиме слежения на тактирование реверсивного счетчика импульсами, формируемыми из сигнала помехи, и формированияслова состояния АЦП, содержащего информацию об исправности преобразавателя, уровне выходной помехи, состоянии преобразователя в данный моментвремени. Поставленная цель достигается введением в преобразователь блокавыделения помехи, формирователя импульсов, коммутатора, второго тра, элемента задержки, блока иции неисправности. 4 нл 1 табл.5 10 1 г 20 25 30 40 45 50 55 Изобретение относится к вычислительной технике и автоматике и может быть использовано в цифровых системах автоматического управления динамическими объектами, в частности газотурбинными двигателями, для преобразования сигналов датчиков рабочих параметров в цифровой код.Цель изобретения - повышение помехоустойчивости.На фиг.1.приведена структурная схема комбинированного аналого-цифрового преобразователя (АЦП); на фиг;2 схема блока выделения помехи (БВП) и формирователя импульсов; на фиг.З схема блока индикации неисправности (БИН); на Фиг,4 - временные диаграммы работы предлагаемого устройства.Комбинированный АЦП содержит блок 1 сравнения, первый триггер 2, ре-.: гистр 3 последовательных приближений (РПП), реверсивный счетчик 4, цифроаналоговый преобразователь (ЦАП) 5, генератор 6 импульсов, БВП 7, формирователь 8 импульсов, коммутатора 9, элемент 10 задержки, второй триггер 11, БИН 12, входную шину 13, шину 14 запуска, шину 15 неисправности и выходнуюшину 16.БВП 7 может быть реализован (Фиг.2) на основе полосового фильтра путем каскадного соединения фильтров низкой (на усилителе 17) и высокой (на усилителе 18) частоты. Такая реализация полосового фильтра позволяет в полосе пропускания получить участок, имеющий плоскую фазочастотную характеристику (ФЧХ), причемна квазирезонансной частоте имеет место нулевой сдвиг. .Полосовой фильтр настраивают таким образом, чтобы наиболее интенсивная, доминирующая помеха приходилась на плоский участок ФЧХ, Квазирезонансная частота полосового Фильтра должна быть выбрана несколько большей, чем частота доминирующей помехи, При этом фазовый сдвиг полосового фильтра, будучи близким к нулю, имеет положительный знак, что позволяет компенсировать запаздывание, вносимое последующими блоками. Доминирующими помехами,. оказывающими наибольшее влияние на точность преобразования АЦП в системах цифрового управления, являются в большинстве случаев наводки от питающей сети переменного тока с частотами 50 Гц в промьппленных установках и 400 или 1000 Гц в .бортовых системах управления летательных аппаратов.Выделенная помеха из БВП 7 поступает на вход формирователя 8 импульсов, состоящего из триггера Шмитта 19, дифференцируюшей цепи 20, ключей на транзисторах 21 и 22, инвертора 23, элемента ИЛИ-НЕ 24 и одновибратора 25, Триггер Шмитта формирует изотфильтрованного сигнала помехи прямоугольные импульсы с крутыми фронтами, Величина гистерезиса выбираетсяне более одного кванта АЦП, что обеспечивает помехоустойчивость при определении момента пересечения помехойнулевого уровня при незначительномснижении точности, Дифференцирующаяцепь выделяет фронты импульсов триггера Шмитта, а ключи формируют короткие импульсы в виде "0", необходимыедля запуска одновибратора, Одновибратор вырабатывает нормированные подлительности и амплитуде импульсы,необходимые для тактировки АЦП послепереключения в режим синхронизацииот помехи.БИН 12 (фиг.З) содержит элемент26 задержки, вход которого подключенк первому входу БИН 12, а выход - кего выходу, БИН 12 в общем случаеможет содержать несколько выходов, сигналы которых составляют линии шины 15 слова состояния, В схеме реализации БИН 12 на фиг,З предлагаемого комбинированного АЦП шина неисправности АЦП состоит из трех линий, которым соответствуют следующие сигналы. Сигнал первой линии есть сигнал конца поразрядного уравновешивания (КПУ) . Сигнал второй линии (КПУ ) есть сигнал КПУ, задержанный на времяс помощью элемента 26 задержки. Сигнал третьей линии шины неисправности (КПпом) есть сигнал конца преобразо. вания по помехе, т.е. сигнал переключения тактировки от помехи.Устройство работает следующим образом,После прихода импульса запуска пошине 14 запуска РПП 3 устанавливаетсяв начальное положение. При этом навтором выходе РПП 3 устанавливаетсясигнал "0", который по третьему входупереводит реверсивный счетчик 4 в режим записи параллельного кода с первого выхода РПП 3. Одновременно запускающий импульс устанавливает второй триггер 11 в нулевое состояние, з 13634 по которому коммутатор 9 подключает г к тактовым входам РПП 3 и реверсивного счетчика 4 выход генератора 6 импульсов. С приходом первого после запуска тактового импульса с выхода генератора 6 импульсов РПП 3 начинает выполнять алгоритм поразрядного уравновешивания. Цифровой код поразрядного уравновешивания формируется на 10 первом выходе РПП 3 и транслируется через реверсивный счетчик 4 на вход ЦАП 5, который вырабатывает компенсирующий сигнал обратной связи П (фиг.4 а), сравниваемый блоком 1 срав нения с входным сигналом. Сигналы блока 1 сравнения фиксируются по фронту тактовых импульсов в первом триггере 2 и переписываются в РПП 3 с. задержкой, определяемой элементом 1020 задержки и необходимой для завершения переходных процессов в первом триггере 2. После окончания поразрядного уравновешивания на первом выходе РПП 3 устанавливается полноразрядный код 25 преобразования, а на втором выходе появляется сигнал "1" (момент С на фиг.4 д), по которому реверсивньй . счетчик 4 переключается в режим счета, начиная с кода поразрядного урав. - З 0 новешивания, Начинается режим следящего уравновешивания с тактовой частотой, определяемой генератором 6 импульсов (фиг,4 а), В моментпроисходит первое после окончания поразрядного уравновешивания пересечение помехой нулевого уровня (фиг.4 б), При этом формирователь 8 импульсов вырабатывает импульс, по фронту которого сигнал 1 (сигнал конца поразрядного 40 уравновешивания),. с первого входа второго триггера 11 переписывается на его выход, Сигнал "1" с выхода второго триггера 11 переключает коммутатор 9 в положение, при котором на его вы ход передаются импульсы формирователя 8 импульсов.Таким образом, с моментатактовая частота преобразователя равна удвоенной частоте доминирующей поме 50 хи, вьделенной в БВП 7 (фиг.4 г), Известно, что при дискретизации сигналов с частотой Р, спектр выходного дискретизированного сигнала не содержит гармоническую составляющую входного сигнала с частотой Р/2 и все1гармоники с частотами Р (р + К), где К=О, 1,2, . Это свойство дискрети 68зированных сигналов позволяет в предлагаемом АЦП полностью подавить детерминированную помеху, на которую настроен полосовой фильтр БВП 7, так как тактовая частота равна удвоенной частоте этой помехи, т,е. коэффициент передачи АЦП для частоты выделенной помехи равен нулю.С другой стороны, в режиме слежения АЦП динамически подобен фильтру низких частот с частотой среза, определяемой тактовой частотойчЧ -- ЕЬ)где и - квант АЦП;ф - максимальное значение входного сигнала,Поэтому при переключении с высокой тактовой частоты генератора 6импульсов на тактирование от достаточно низкочастотной сетевой помехиимеет место сужение полосы пропускания АЦП. Это приводит к повышению фильтрующих свойств преобразователя в следящем режиме для всех помех, спектр которых лежит выше частоты доминирующей помехи, причем последняя в идеальном случае (при отсутствии фазового сдвига) полностью подавляется.Следует отметить, что температурная и временная нестабильность коэффициента передачи и фазового сдвига полосового фильтра БВП 7 оказывает весьма незначительное влияние на точность определения момента перехода помехи через нуль. Это обусловлено тем, что погрешность определения момента перехода помехи через нуль практически не зависит от коэффициента передачи фильтра при достаточной амплитуде сигнала. на выходе фильтра, а определяется лишь нестабильностью фазового сдвига. Однако так как частота помехи располагается на плоском участке ФЧХ полосового фильтрато вариации фазового сдвига незначительны. Наоборот, в тех АЦП, у которых для повышения помехоустойчивости используется ФНЧ, включаемый непосредственно на входе, имеет место значительное влияние нестабильности коэффициента передачи на точность преобразования,. а инерционности фильтра - на динамическую погрешность.Для предлагаемого комбинированногоАЦП максимальное время преобразова 1 Збз 4681ния, определяемое от момента запускадо момента получения отфильтрованного от помехи выходного кода, равнополовине периода помехи (без синхро 5,низации запуска по помехе), Это болеечем в два раза меньше по сравнению сАЦП двухтактного интегрирования,Комбинированный АЦП характеризуется широкими функциональными возможностями и предоставляет потребителю цифровых кодов преобразования информациюо состоянии АЦП в текущий момент вре"мени, характеристиках входной помехии степени достоверности цифрового 15кода в процессе преобразования. Такуюинформацию потребитель получает изсовокупности сигналов, вырабатываемыхБИН 12.Минимальный состав линий шины неисправности, при котором имеет местозначительное расширение функциональных возможностей предлагаемого АЦП,равен трем линиям, содержащим сигналыКПУ, КПпом и КПУ. Последний сигнал 25прогнозирует момент получения достоверного кода в случае. отсутствия помехи, для чего задержка выбираетсяравной (Т, /2+Ь), где Тпом,сюсреднее значение периода помехи; Ь - 30максимальное возможное приращениепериода помехи.Появление сигнала КПУозначает,что в течение ожидаемого интервалане произошло переключения на тактировку от помехи, поэтому можно считать, что помеха практически отсутствует и, кроме того, что процессполучения точного кода завершен. Та-:ким образом, потребитель может по 40своему выбору использовать либо одиниз этих сигналов при считывании кодаАЦП, либо анализировать полное трехразрядное слово состояния АЦП, дающеевосемь различных комбинаций, которые . 45приведены в таблице. Рассмотрим некоторые конкретные значения слова состояния. Словам состояния 001, 010,011, как видно из таблицы, соответствует неисправное состояние АЦП. Это 50обусловлено нарушением причинно-следственных связей между последовательностью появления сигналов КПУ, КПУ Си КПпом в приведенных комбинацияхслова состояния, в частности "1" влиниях КПУи КПпом не может появиться раньше, чем "1" на выходе КПУ.Значению слова 110 соответствуют исправное состояние устройства (КПУ=1) и отсутствие помехи на входе, так как задержанный на время 2 сигнал КПУ " =1 имеет место, а сигнал помеху, устанавливающий КПпом, не появился, т.е. равен О. Аналогичным образом можно провести анализ других комбинаций сигналов слова состояния АЦП.По сравнению с известным предлагаемый комбинированный АЦП благодаря введению БВП, формирователя импуль"., сов, коммутатора, элемента задержки, второго триггера, блока формирования слова состояния, шины запуска и шины слова состеяния имеет более высокую помехоустойчивость и более широкие функциональные возможности, Повышение помехоустойчивости комбинированного АЦП достигается за счет отслеживания входного сигнала при тактировании высокой тактовой частотой до момента пересечения помехой нулевого уровня и переключения в этот момент на тактировку от импульсов, сформированных из сигнала помехи в моменты перехода помехи через нуль. При этом имеет место сужение полосы пропускания следящего АЦП, что позволяет фильтровать помехи всех видов, начиная с частоты сетевой помехи. Сама сетевая помеха автоматически попадает в такую точку амплитудно-частотной характеристики АЦП, для которой модуль частотной характеристики следящего АЦП равен нулю, поэтому предлагаемый АЦП обладает свойством адаптации к помехам, спектр которых лежит в рабочем диапазоне частот блока выделения помехи.Формула изобретенияКомбинированный аналого-цифровой преобразователь, содержащий блок сравнения, первый вход которого является входной шиной, второй вход соединен с выходом цифроаналогового преобразователя, а выход подключен к первому входу первого триггера, выход которого соединен с информационным входом регистра последовательных приближений и управляющим входом реверсивного счетчика, информационные входы которого соединены с информационными выходами регистра последовательных приближений соответственно, счетный вход которого объединен со счетным входом реверсивного счетчика, выходы которого являются выходной шиной и соединены с соответствующимиЮЮЮЮЮХарактеристика помехи Выходные коды БИН 12КПУ КПУКПпом Состояниеустройства Возможностьсчиты".ваниякода Достоверность (точность) результата преобразования О О Неготово,идет преобразование Нет О Неисправно О О Неисправно Неисправно О О узлы, реа- Дализующие ПУ,исправны Низкая Помеха с.ам- Высокаяплитудой ъ 1кванта в поО Исправно Да лосе пропускания фильтра Помеха мала Высокаялибо отсутст- вует Исправно Да Помеха с ам- Высокаяплитудой ) 1кванта в полосе пропускания фильтра Исправно Да 7 13634 входами цифроаналогового преобразователя, генератор импульсов, о т л и - ч а ю щ и й с я тем, что, с целью повышения помехоустойчивости, в него введены блок выделения помехи, формирователь импульсов, коммутатор, элемент задержки, второй триггер и блок индикации неисправности, первый вход объединен с входом разрешения записи 1 О реверсивного счетчика и первым входом второго триггера и подключен к выходу"Конец преобразования" регистра пос ледовательных приближений, вход запуска которого является шиной запуска у и соединен с вторым входом второго триггера, третий вход которого объе 68динен с первым информационным входомкоммутатора и подключен к выходу формирователя импульсов, вход которогосоединен с выходом блока выделенияпомехи, вход которого является, входной шиной, а выход второго триггераподключен к управляющему входу коммутатора и второму входу блока индикации неисправности, второй информационный вход коммутатора объединен свторым входом первого триггера и соединен с выходом генератора импульсов,а выход через элемент задержкиподключен к счетному входу ре-гистра последовательных приближений.Производственно-полиграфическое предприятие, г. Ужгород, ул. Проектная, 4 Тираж 900 НИИПИ Государственного комит по делам изобретений и откр 13035, Москва, Ж, Раушская