Интегрирующий аналого-цифровой преобразователь

(Я)5 Н 03 М 1/52 ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯН АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТГ 10 ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМПРИ ГКНТ СССР(57) Изобретение относится к импульсной технике и может быть использовано в устройствах сбора аналоговой информации систем контроля и управле- . Изобретение относится к импульсной технике, в частности к преобразователям напряжения в цифровой код с интегрированием входного и опорного напряжения.Цель изобретения - повышение точности.На фиг. 1 приведена функциональная схема преобразователя; на фиг.2 - функциональная схема блока управления; на фиг,3 - временные диаграммы работы преобразователя; на фиг.4 - функциональная схема делителя частоты. Преобразователь содержит шины 1-3,интегратор 4, например, выполненный ния технологическими процессами. Изобретение позволяет повысить точность преобразования. Это достигается тем, что в устройство, содержащее интегратор, три ключа, сумматор, нуль-орган, источник опорного напряжения, два счетчика, цифроаналоговый преобразователь, блоки синхронизации и управления, введены компаратор, аналоговый инвертор, переключатель, четвертый ключ, третий и четвертый счетчики, делитель импульсов, три элемента И, четыре элемента ИЛИ, благодаря которым в АЦП независимо от времени преобразования обеспечивается одинаковая величина кванта преобразования и тем а самым повышается точность. 1 э.п.ф-лы,Ф 4 ил. на операционном усилителе с конденсатором в цепи обратной связи, сумматор 5 на двух резисторах, ключи 6-9, у которых замыкаются вход и выход при наличии сигнала на управляющем входе, переключатель 1 О, источник 11 опорного (отрицательного) напряжения, аналоговый 12 инвертор, например, выполненный на суммирующем усилителе, нуль-орган 13, компаратор 14, цифроаналоговый преобразователь 15 (ЦАП),блок 16 синхронизации, счетчики 17-20, делитель 2 частоты, элементы И 22-24, элементы ИЛИ 25-28, блок 29 управления. Блок .управления (фиг.2) содержит дешифратор 30, 1594695(импульс)на выходе блока 16; импульсы 40 - на выходе переполнения счетчика 17, импульсы 41 (:игналы) насмежном входе счетчика 17; импульсы 42-45 (сигналы) на первом, четвертом, третьем и втором выходах дешифратора 30; импульсы 46 (сигналы)на выходе куль-органа 13, импульсы 47 15на выходе компаратора 14; импульсы 48-50 сигналы на выходах элементов ИЛИ 35,26 и формирователя 32. Делитель частоты (фиг.4) содержит 20 элемент ИЛИ 51, счетчик 52, элемент ИЛИ 53, элемент И 54, Формирователи 55 и 56 импульсов.Аналого-циФровой преобразователь работает следующим образом. 25После выключения питания и установки в исходное состояние блока 29, в котором путем подачи сигнала на шину 38 устанавливается "0" код в счетчике 37, и блока 16, последний форми рует импульс 39 по сигналам внешней синхронизации или путем выделения периодов помехи, наложенной на входной Б преобразуемый сигнал. Первый из этих импульсов устанавливае 1 пОлл код в счетчике 17, а также в счетчиках 19 и 20, проходя через элемент И 24, и "1" код в счетчике 3 проходя через элемент ИЛИ 36. Для этого импульса по "0" коду счетчика 37 дешифра тор 30 на первом выходе формировал сигнал 42, который поддерживал в исходном состоянии интегратор 4, шунтируя с помощью ключа 9 его интегрирующий конденсатор. По коду "1" счетчи ка 37 дешифратор 30 не формирует сигнал 43, который замыкает ключ 6, подключая П на вход сумматора 5 и далее к интегратору 4, ключ 9 размыкается и начинается первый такт Т интег рирования, Длительность Т, задается блоком 16, она равна интервалу времени между первым и вторым импульсами 39 и может принимать значения в диапазоне от Т 1 = Т-; рТдо Т= рТ ло+ Т где Т = -- р = 1 - (р - 1), ир л о й, оБр Т = 0 -(М - 1), где 1Р о1 л Со Величина То определяется емкостьюМ счетчика 17 и частотой 1 генератора 31, который включается в работусо снятием сигнала 42. Его импульсыпоступают через элементы И 23 иИЛИ 27 на счетный вход счетчика 17,формирующего через То импульсы 40переполнения, подсчитываемые счетчиком 19 с емкостью ро,в котором фиксируется число р этих импульсовза Т. При Т т То интегрирование Бхможет привести к изменению выходногонапряжения П интегратора 4, превышающему его рабочий диапазон (О-Ц ),но это недопустимо. Поэтому в АЦП ве"личина Пц контролируется с помощьюкомпаратора 14, Формирующего импульсы 47 в момент достижения Б 1,= цоИмпульсы 47 через элемент ИЛИ 25с помощью ключа 9 разряжают конденсатор интегратора 4, обеспечивая Б= О,а их число ц подсчитывается счетчиком 20, имеющим емкость не менее реслй в АЦПБ =Б и его интегрироват оние за То приводит к Би = БоЗа время интегрирования Бх изменение 11 должно составить величину:Цц= ах(РТо+ Тр) Р - коэффициент интегратора 4), которая в АЦП представлена ввиДе Ув= ЦУо + Ц 1 л гДе БЬ= Ю-- напряжение на выходе инх уотегратора 4 в конце Тл,В течение Ткод р счетчика 19используется для корректировки текущего значения 11 и формирования велиарчины и = -- в счетчике 18. Для этоРго с помощью делителя 21 выполняетсяуменьшение частоты Йо в р раз и форомирование Е = в в , импульсы которойр Лчерез элемент И 22 поступают в счетчик 18. В этом счетчике каждый импульс 40 через То устанавливает "0"код, а текущее значение То внутрикаждого интервала Т преобразуетсяв кодп путем подсчета импульсов Г заИрТ ;и = Т Г-- , который фиксирур: -.р -- лется в момент окончания Т 1.При коде р = О, т.е. в течение первого интеРвала То вначале Т 1 л на выходе делителя 21 импульсы Г отсутстовуют.В качестве делителя 21 может бытьиспользована схема на фиг,4, На первый вход элемента И, который являет45 5 15946ся первым входом делителя, подаются импульсы Ее, которые через него проходятпри всех кодах, записанных в этотсчетчик, кроме "О" кода. При коде римпульсная Ер уменьшается до "0", в5этот момент сигнал с сумматора 5 снимается. По его отрицательному перепаду запускаются последовательноформирователи 55 и 56, Импульсы пер Ового из них являются выходными импульсами делителя 21, они имеют частотуоЕ = -- , а импульсы формирователя 561 рзаписывгют в счетчик 52 делителя 15код р из счетчика 19 для выполнениянового преобразования Ео в ЕСинхронизация работы делителя осуществляется путем подачи импульса наего третий вход, по которому сначалаустанавливается "0" код, а затем записывается код р в счетчике 52,Первый такт работы АЦП заканчивается по второму импульсу 39, которыйпроходит через элемент ИЛИ 36 (импульсы 41) и устанавливает код 2 всчетчике 37, а соответствующий емусигнал 44 с дешифратора 30 подключает с помощью переключателя 10 напряжение - Ц с выхода источника 11 30на входыЦАП 15 и ключа 7. Одновременно с сигналом 44 сформированный наего основе сигнал 48 подключает с по"мощью ключей 7 и 8 напряжение - 11 ди -Б с выхода ЦАП 15 на вход сумматора 5 и далее к интегратору 4. Величина - БК получена в результатепреобразования ЦАП 15 кода и:-Б== и(- Ь), где Д - квант ЦАП, равныйБокванту АЦП Д --оВ течение сигнала 44 выполняетсявторой такт работы АЦП, в котором напряжение 01 интегратора 4 разынтегрируется напряжением -Б = -(Б + У )о Кдо нуля, фиксируемым с помощью нульоргана 13,г.Положительным перепадом его выходного сигнала 46, проходящего через 50 элемент И 34, открытый сигналом 44,. запускается формирователь 33, Его выходной импульс проходит через эле- мент ИЛИ 36 и устанавливает в счетчи" ке 37 код 3, соответствующий которому сигнал 45,с дешифратора 30 переводит АЦП на работу в третьем тактеИзменение выходного напряжения интегратора 4 за Т равно Ю= ЫТ= Б 956В течение Т выполняется интегрирование +Б , которое снимается с выхода интегратора 12 и передается через переключатель 10 (так как сигнал 44 отсутствует) на выходы ЦАП 15 и ключа 7В АЦП должен быть использован ЦАП, работающий с положительным иотрицательным опорными напряжениями.Интегрирование +Ббудет выполняться до срабатывания компаратора 14 аналогично работе в Т 1 . Импульсы 47 разряжают кондерсатор интегратора 4 и вычитаются из кода Ч, полученного за Тв счетчике 20, т.е. на его входе угравления вычитанием подан сигнал 45, Через Ч импульсов в счетчике 20 будет получен 0 код, что соотвествует снятию сигнала с выхода элемента ИЛИ 26 и запуску формирователя 32, выходной импульс которого устанавливает в счетчике 37 код О. На этом заканчивается Тз и процесс пре" образования, при этом сигнал 42 через элемент ИЛИ 25 и ключ 9 поддерживает исходное состояние интегратора 4 и выключает из работы генератор 31.,За Твыходное напряжение Уз интегратора изменялось Ч раз по По з - Ч 11 о 111 ТзВ течение Т = Т + Т на вход счет 23чика 17, в котором перед началом Т вторым импульсом 39 был установлен О код, через элемент ИЛИ 27 поступают импульсы Г с выхода делителя 21 и формируют в нем результат преобразования х = ТГ В АЦП преобразование может закончиться сразу после окончания Т или1 Т, если У = 0 или с 1 = О. В первом случае к окончанию Т на выходе нульоргана 1 3 будет присутствовать сигнал, поэтому с появлением сигнала.44, кото- рый пройдет через элемент И 34, формирователь 33 сработает и его импульс установит код 3 в счетчике 37. Снятие сигнала 44 передается на выход элемента 26 из-за отсутствия сигналов на других его входах с выходов счетчика 20, так как Ч = О, это запускает формирователь 32, по импульсу которого преобразование заканчивается. Аналогично заканчивается преобразование и во втором случае при Ч = 0 после выполнения Т и снятия сигнала 44.Получаемый в результате преобразования код х записывается в счетчи159469 ке 17 и передается на выходные шины 3, о готовности этого результата сигнализирует снятие сигнала 48, Код х формируется за время Т , величина которого определяется из условия равен 5 ства изменений выходного напряжения в течение Т, и Т,г.е. Ц,= У + Уз или КПх(р То+ Т) = КБТ , откуда Т. = "- (Рт + Т ).(1106 + и Д)Г Ь Г Поэтому результат преобразования х20ос учетом, что Г = , будет равенр ФР, Цх х = Т Г =Г = , В резг др дэультате преобразования Цх получен 25 код х, имеющий квант по напряжениюПо- и результат преобразованияоне содержит составляющих погрешность от изменения времени Т, =: Ти измере ния Б,так как в выражении для х отсутствуют параметры р и Т. В известном преобразователе уменьшение Т неизбежно приводит к увеличениюпогрешности в результате преобразования из-за увеличения достоверной величины кванта. Если квант Д и относительная погрешность 3 соответствует времени измерения Т = рТО, то при Т = Т из-за увеличения относительи оной погрешности 3 (Т ) := р,3 значение кванта будет Д (Т,) = Р, д, т.е. относительная погрешность увеличилась в р раз. В предложенном АБП этогс 1 не происходит при Т, = Т Ф(Т ) = д, 45 т.е, точность повышена ь р раз. ,Так как величина достоверного кванта Д остается одинаковой во всем диапазоне изменения. Ти Т РТ р то точность работы АЦП повьпцена для всех значений Тя этого диапазона. Формула изобретения 551. Интегрирующий аналого-циФровой преобразователь, содержащий первый счетчик, информационные выходы которого являются выходной шиной, первый 5 8ключ, информационный вход которогообъединен с первым входом блока синхронизации и является входной шиной, уп"равляющий вход соединен с первымвыходом блока управления, а выход,объединен с выходом второго ключа и соединен с первым входом сумматора, второй вход которого соединен с выходом третьего ключа, управляющий входкоторого объединен с управляющим входом второго ключа и соединен с вторымвыходом блока управления, информационный вход третьего ключа соединен спервым выходом цифроаналогового преобразователя, входы которого соедине",ны с соответствующими выходами второго счетчика, нуль-орган и источникопорного напряжения, вход последнегои первый вход нуль-органа объединеныи являются шиной нулевого потенциала,выходы нуль-органа и блока синхронизации соединены соответственно с первыми вторым входами блока управления,второй вход нуль-органа через интегратор соединен с выходом сумматора,о т л и ч а ю щ и й с я тем, что, сцелью повышения точности, в него введены третий и четвертый счетчики, делитель частоты, компаратор, аналоговый инвертор, четвертый ключ, триэлемента И, четыре элемента ИЛИ и переключатель, первый информационныйвход которого объединен с входом аналогового инвертора, первым входом компаратора и соединен с выходом источника опорного напряжения, второй информационный вход соединен с выходоманалогового инвертора, а выход переключателя объединен с вторым выходомцифроаналогового преобразователя и соединен с информационным входом второго ключа, управляющий вход переключа-теля объединен с первым входом первого элемента ИЛИ и соединен с третьим выходом блока управления, вторыевходы первого элемента ИЛИ соединенысоответственно с выходами третьегосчетчика, а выход соединен с третьимвходом блока управления, четвертыйвыход которого соединен с входом вычитания третьего счетчика, счетныйвход которого объединен с первым входом второго элемента ИЛИ и соединен свыходом компаратора, вход установкив "О" объединен с входом установки в"О" четвертого счетчика и соединенс выходом первого элемента И, первыйвход которого объединен с вторымзс входом второго элемента ИЛИ и соединен с пятым выходом блока управления, , второй вход объединен с вторым входом блока управления, первым входом тре- тьего элемента ИЛИ и входом установки в "О" первого счетчика, выход переполнения которого соединен со счетным входом четвертого счетчика, входом установки в "О" второго счетчика и вто О рым входом третьего элемента ИЛИ, счетный вход первого счетчика соединен с выходом четвертого элемента ИЛИ, первый вход которого соединен с выходом второго элемента И, второй вход объе-динен с первым входом третьего элемента И и соединен с выходом делителя частоты, первый вход которого объединен с первым входом второго элемента И и соединен с шестым выходом бло О ка управления, второй вход второго элемента И объединен с вторым входом третьего элемейта И и соединен с первым выходом блока управления, выход третьего элемента И соединен со счет" 25 ным входом второго счетчика, выходы четвертого счетчика соединены соответственно с вторыми входами делителя частоты, третий вход которого соединен с выходом третьего элемента ИЛИ, вы- ЗО ход второго элемента ИЛИ соединен с управляющимвходом четвертого ключа,. информационный вход которого объединен с входом интегратора, а выход объеди- . нен с выходом интегратора и соединен с вторым входом компаратора.2. Преобразователь по п.1, о т - л и ч а ю щ и й с я тем, что блок управления выполнен на последовательно соединенных элементе И, первом формирователе импульсов, первом элементе ИЛИ, счетчике и дешифраторе, а также втором формирователе импульсов, втором элементе ИЛИ и управляемом инверторе импульсов, выход которого яв-я ляется шестым выходом блока, а управляющий вход соединен с первым выходом дешифратора, который является пятым выходом блока, второй выход дешифратора соединен с первым входом второго элемента ИЛИ и является четвертым выходом блока, третий выход дешифратора соединен с вторым входом второго элемента ИЛИ, первым входом первого элемента И и является третьим выходом блока, четвертый выход дешифратора является первым выходом блока, выход второго элемента .ИЛИ является вторым выходом блока, первый входом которого является второй вход элемента И, вторым и третьим входами блока являются соответственно второй вход первого элемента ИЛИ и вход второго формирователя импульсов, выход которого соединен с третьим входом первого элемента ИЛИ, а вход установки в О11 Н счетчика является шиной установки.1594695 Код тель А.ТитоЛ.Олийнык ектор Т.Малец едактор Л.Зай раж 667 тета по исква, Ж,аушская на здательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул. Гагарина, 101 ствен рои аказ 2838НИИПИ Государственног113035 Соста Техре и ми Подпбретениям ноеоткрытиям при ГКНТ СССд, 4/5