Интегрирующий аналого-цифровой преобразователь

СОЮЗ СОВЕТСНИХСОЦИАЛ ИСТИЧЕСНИХРЕСПУБЛИК С 51)% Н 03 М 1/52 ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯН АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУай"."дг.,;.:",ЬФЕйь и)6 А ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТНРЫТИЯМПРИ ГКНТ СССР(57) Изобретение относится к измерительной технике и может быть в частности, использовано при сознанииуниверсальных цифровых вольтметров,Изобретение направлено на повышениеточности преобразования. Интегрирующий аналого-циФровой преобразовательсодержит интегратор-сумматор 1, ксмпараторы 7, 8 источники 9, 10 опорных напряжений противоположных полярностей, связанные через нереключатель 11 с интегратором-сумматором1, 0- триггеры 12, 13, 17, КЯ-триггер 18, генератор 14 импульсов, де 801628204 А 1 2литель 15 частоты, преобразователь16 временных интервалов в цифровойкод и преобразователи 19, 20 времен"ного интервала в постоянное напряжение, За счет наличия дополнительногоП-триггера 17, К 8-триггера 18 и преобразователей 19, 20 обеспечиваетсяпереключение полярностей опорногонапряжения не сразу после переходовчерез нуль результатов интегрирования сумм входного и опорного напряжений, а по достижении выходным напряжением интегратора-сумматора 1 пороговых напряжений, одинаковых позначению и противоположных по знаку,благодаря чему исключается погрешность преобразования, обусловленнаяналичием постоянной составляющей наинтегрирующем конденсаторе 3: Приэтом обеспечивается полная синхронизация частных и полных циклов преобразования за счет автоматическойи одновременной перестройки пороговых напряжений компараторов 7 и 8 взависимости от уровня входного сигнала, благодаря чему исключается погрешность от краевых эффектов. 1 з.п.ф-лы. 3 ил,Изобретение относится к измерительной технике и может быть, в частности, использовано при создании универсальных цифровых вольтметров,5Цель изобретения - повышение точности преобразователя.На фиг. 1 представлена структурная схема устройства; на фиг, 2 - возможный вариант электрической принци- О пиальной схемы преобразователя временных интервалов в постоянное напряжение; на фиг. 3 - временные диаграммы, поясняющие работу устройства.Устройство содержит. интегратор сумматор 1, выполненный на операционном усилителе 2, конденсаторе 3 и двух резисторах 4, 5, первый вход интегратора-сумматора 1 является входной шиной 6,компараторы 7, 8, источ ники 9, 10 опорных напряжений, переключатель 11, два В-триггера 12, 13, генератор 14 импульсов квантования, делитель 15 частоты, преобразователь 16 временных интервалов в цифровой 25 код, 0-триггер 17, КЯ-триггер 18, преобразователи 19, 20 временных интервалов в постоянное напряжение положительной и отрицательной полярности соответственно. 30Преобразователь 19 (фиг. 2) выполнен, в виде диода 21, резистора 22 и двух конденсаторов 23, 24.На фиг, За - работа устройства при входном напряжении, равном нулю (Пз =О)Зб - Пб) Ор Зв - П, сО.Устройство работает следующим образом.Большинство функциональных узлов, показанных на фиг, 1, можно свести . 40 в два укрупненных узла; интегратор сумматор 1, переключатель 11, источники 9, 10; компараторы 7, 8, генератор 14, П-.триггеры 12, 13, КЯ-триггер 18 представляют собой автогенератор импульсных колебаний, управляемый по частоте изменением постоянных напряжений противоположных полярностей на соответствующих входах компараторов 7, 8; делитель 15, Р- триггер 17, преобразователи 19, 20 представляют собой устройство синхронизации частоты колебаний автогенератора с так называемой тактовой частотой, которая в заданное целое55 число раз меньше частоты генератора 14.Начнем с рассмотрения работы автогенератора импульсных колебаний,Условно зададимся исходным состоянием одного из функциональных узлов, показанных на фиг, 1, например, переключателя 11 и определим состояния других узлов. Пусть переключатель 11 находится в положении а, показанном на фиг, 1. Принимаем этоположение за нулевое состояние, В таком случае опорное напряжение +Поположительной полярности с источника10 поступает на второй вход интегратора-сумматора 1, вызывая ток черезрезистор 5, Этот ток и ток черезрезистор 4 от входного напряженияПзаряжают интегрирующий конденсатор 3, в результате чего напряжениена выходе интегратора-.сумматора 1изменяется, стремясь к отрицательному пороговому чапряжению -П срабаИтывания компаратора 8, В это времяна выходах обоих компараторов 7 и 8высокий потенциал (прннимаем, чтокомпараторы находятся в единичныхсостояниях), С учетом потенциалов навыходах компараторов 7, 8 на неинвертирующих выходах П-триггеров 12,13 будут также высокие потенциалы(принимаем, что они тоже находятсян единичных состояниях). Перед этимсрабатывали компаратор 7 и триггер12, в результате к Я-входу КЯ-триггера 18 прикладывался высокий потенциал и на неинвертирующем выходеэтого триггера установился тоже высокий потенциал (принимаем, что КЯтриггер 18 находится в единичномсостоянии),Указанные состояния функциональ"ных узлов сохраняются до момента, вкоторый изменяющееся напряжение навыходе интегратора-сумматора 1 сравняется с пороговым напряжением -Ппсрабатывания компаратора 8. В этотмомент компаратор 8 срабатывает (наего выходе устанавливается нулевойпотенциал), т.е. он переходит внулевое состояние, вызывая (по приходу "1" с генератора 14 на С-вход Втриггера 13) переход П-триггера 13тоже в нулевое состояние. В своюочередь приход "1" с инвертирующеговыхода П-триггера 13 на К-вход КЯтриггера 18 переводит последний внулевое состояние, что в конечномсчете вызывает перевод переключателя 11 в положение б,В результате оперное напряжениена втором входе интегратора-суммато"211 я С зи1 о 1 вхК 4 55 Вычислив их разность и сумму, можно найти отношение ЬЕ -Иа 0 х 3 М +Й 12 ЦО К 4 ра 1 скачкообразно изменяется от+О до -Б и с этого момента времеЬ они начинается перезаряд интегрирующего конденсатора 3, напряжение навыходе интегратора-сумматора 1 начинает изменяться в сторону положительной полярности, стремясь к пороговому напряжению +Оп срабатывания. компаратора 7, компаратор 8 и й-триггер 13 возвращается в исходные (единичные) состояния, а РЛ-триггер 18сохраняет новое (нулевое) состояниеВ момент, в который изменяющеесянапряжение на выходе интеграторасумматора 1 достигнет порогового значения +Оп, срабатывает компаратор 7,переводит Э-триггер 12 в нулевое состояние, последний возвращает КЯ-триггер 18 в исходное (единичное) состояние, вызывая установление переключателя 11 тоже в исходное (нулевое)состояние, опорное напряжение на втором входе интегратора-сумматора 1скачкообразно изменяется уже от -Ц 25до +и - начинается обратный перезаоряд интегрирующего конденсатора 3,напряжение на выходе интегратора-сумматора 1 начинает изменяться в сторону отрицательной полярности, снова 30стремясь к пороговому напряжениюсрабатывания компаратора 8, комипаратор 7 и П-триггер 12 возвращаютсяв исходные (единичные) состояния -КЯ-тригГеР 18 сохраняет исходное 35(единичное) состояние,Лалее процесс автоколебаний повторяется, как.описано, начиная сисходного состоянияОчевидным условием обеспечения А 0периодических перезарядов интегрирующего конденсатора 3 и поддержаниятаким образом непрерывных колебанийявляется периодическая смена направления тока в цепи с интегрирующимконденсатором 3, Этот ток складывается из двух токов: тока через резистор 4, вызываемого входным (преобразуемым) напряжением 0 1 и токачерез резистор 5, вызываемого опорными напряжениями +По и -Бо, равнымипо значению, но противоположными пополярности, действующими поочередно,из-за чего второй ток также поочеред"но изменяет направление. Для того,чтобы и суммарный ток заряда интегрирующего конденсатора 3 также поочередно (периодически) изменял направление, не уменьшаясь при этом до ну 146ля, необходимо, чтобы сила тока 14 через резистор 4, сопротивление которого Р 4, по абсолютному значению (1 ( всегда была меньше абсолютного4значения силы тока (1 ( через резистор 5, сопротивление которого К Математически это условие обеспечения непрерывной работы автогенератора импульсных колебаний можно представить в виде неравенства: Нетрудно вывести аналитическое выражение для зависимости интерналов времени Т и Д 1 перезарядов интегрирующего конденсатора .3 от порогового напряжения -11 до порогового наипряжения +Б и обратно от +БП до -ЮП,Лсоответственно, а также периода перезаряда Т=М,+1 , от входного (преобразуемого) напряжения Нв . Используя уже принятые обозначения и вводя новые, можно составить уравнение:( (1 1 ЬЬ 11(Ь+Ц +(-11=2 У = - - -- = - п й СС СЭ где С - емкость интегрирующего конденсатора 3;1( 1 ( - абсолютные значения сиЭлы токов перезаряда интегрирующего конденсатора 3 наинтервалах времени й иДсоответственно.Исходя из необходимости выполнения выше приведенного неравенства принимаемБо БвгЦо ТЦ --- 0,51. 4 СК ф иэ которого следует, что В 4 Дй ЬйаЦ иЦ, ,ЬХ одУчитывая, что период автоколебайийТ-Де,+бег,К 4 М, ВсеЦ ЦеВХ оК Т10Из формул следует, что для получения информации о значении входного напряжения Ц(при работе ИАЦП в составе какого-либо измерителя) необходимо заранее знать значения опорного напряжения Цо и отношения со: противлений Е,1, К резисторов 4, 5; в процессе же преобразования необходимо сначала измерять интервалы времени 1 ; 6 йг, а затем вычислять результат (при необходимости суммировать целое число раз для получения необходимой точности). Эти операции частично осуществляются в преобразователе 16 временных интерва лов в цифровой код, а окончательно - во внешних устройствах, совместно. с которым ИАЦП используется.Выражение для зависимости периода Т одного колебания автогенератора импульсных колебаний или периода автоколебаний от входного напряженияЬХ г гЦд ЦвхТ=4 -С К (1-. ---ч)ЦгР В 35 1из которого следует, что минимальное значение периода будет при Цв О и будет увеличиваться по мере возрастания Цнезависимо от его полярности, стремясь к бесконечности при приближении Цв к Цо/В.Из-за такой зависимости периода Т автоколебаний от входного напряжения ЦНХ оказывается невозможным при любых значениях Ц х совместить целое число таких периодов (или как принято вышечастных циклов) с интервалом интегрирования входного напряжения (полным циклом), длительность которого выбирается равной или кратной периоду50 переменного напряжения помехи. Эта несинхронность, как указывалось выше, и обуславливает одну из составляющих погрешности таких преобразователей - от асинхронности частных и полных циклов преобразования.В данном устройстве обеспечивается синхронизация частных и полных циклов преобразования за счет автоматической перес оройки пороговых напряжений +Ц и -Цп при изменении входного напряже.;ия Ц . Возможность осуМществления синхронизации таким образом следует иэ последнего выражения для Т - при возрастании от нуля входного напряжения Цпо абсолютному значению для сохранения неизменным периода Т необходимо соответствующим образом понизить пороговые напряжения +Ц и -Цп . Следует отметить, что пороговые напряжения +Цп, -Ц не входят в формулы, которыми описываются зависимость между входным напряжением и результатом преобразования - отношением разности и суммы интервалов времени, а следовательно, изменение Ц никоим образом не влияет на точиность преобразования,Пороговое напряжение Цп необходимо изменять следующим образом:гЦо Т Цвх Й,вЦп = --- (1- - . - :.-) .и 4 СР, и,"- Цпри Ц =0 При соотношении сил токов через резисторы 4 и 5 Переходим к рассмотрению совместной работы автогенератора импульсных колебаний и показанных на фиг, 1, делителя 15, триггера 17, преобразователей 19, 20, которые, как указано, представляют собой устройство синхронизации частоты колебаний автогене-. ратора с так называемой тактовой частотой, которая в заданное, целое число раэ меньше частоты генератора 14.Как показано на фиг. 3 (сплошными линиями), в момент й на выходе делителя 15 появляется положительный перепад напряжения Ц, который поступает на С-вход В-триггера 17 и пе 1628264 10реводит его в другое состояние, такое, что на инвертирующем выходе появляется отрицательное напряжение П.г (отрицательный импульс), Этот отрицательный импульс поступает на вход преобразователя 19 временных интервалов в постоянное напряжение положительной полярности, возможный вариант электрической принципиальной схемы которого представлен на фиг,2 Характерным для всех схем таких преобразователей является наличие в каж-. дой схеме интегрирующей КС-цепи (звена 1-го порядка) и при необходимости некоторых других элементов для обеспечения требуемого размаха напряжения перед КС-цепью. Аналогично выполнен и преобразователь 20, но с учетом получения отрицательного напряжения на выходе. Поступивший с инвертирующего выхода П"триггера 17 на вход преобразователя 19 отрицательный импульс вызывает линейный спад напряжения +11 П на выходе преобразова теля 19 и на входе компаратора 7 Напряжение Б на выходе интегратора- сумматора 1 в это время линейно возрастает в сторону положительных значений, стремясь к +ОП., В момент вре мени йд возрастающее от -1 и спадающее от +у напряжения сравниваются компаратор 7 срабатывает и переводит П-триггер 12 в другое состояние, а на его инвертирующем выходе появляется "1", которая поступает на К-вход 0-триггера 17 и переводит его в исходное состояние На ицвертирующем выходе появляется положительное йапряжение УП (положительцый импульс), которое. вызывает линейное возрас-ание напряжения +11 п на выходе пребразователя 19. Кроме того, переводятся в другое состояние КБ-триггер 18 и переключатель 11, в результате че го на второй вход интегратора-сумматора 1 начинает поступать положительное опорное напряжение +По, что вызывает спад напряжения Гц на выходе интегратора-сумматора 1, Это напряжение 1 в момент времени 1 сравниОвается с отрицательным пороговым напряжением -П на выходе преобразоПвателя 20 - срабатывают компаратор 8, затем В-триггер 13, КБ-триггер, переключатель 11 и 11 о становится отрицательным, Пц начинает возрастать в сторону положительных значений, стремясь к пороговому напряжению+13 . В некоторый момент 1 (может раньше, а может позже момента времени е) опять на выходеделителя 15 появляется положительныйперепад +, 0-триггер 17 переводится в нулевое состояние и на выходе преобразователя 19 появляется линейный спад напряжения 11, с кото. - . рым в момент С сравнивается выходное напряжение 11 интегратора-суммайтора 1, компаратор 7 вновь срабатывает, и процесс повторяется, Описанное относится к установившемуся процессу.Начала переходных процессов. показаны на фиг, 3 штриховыми линиями, Так, на фиг, За, на которой сплошными линиями изображены формы сигналов в установившемся процессе при напряжении Уна входе ИАЦН равном нулю, показано штриховыми линиями изменение хода напряжения П на выхои де интегратора-сумматора 1 при подаче в момент времени С на вход напряжений положительной (О О) и отрицательной О 1,(0) полярностей, Появление напряения 11 а)0 на первом входе интегратора-сумматора 1 на интервалах времени, когда на втором входе опорцое напряжение +И приво" дит к возрастанию положительного тока перезаряда ццтегрирующего конденсатора 3, а следовательно, - к повышению скорости спада напряжения 0 на выходе интегратора-сум .атора 1, в интервале же времени, когда на втором входе опорное напряжение -11 О, наоборот, - к понижению отрицательного тока перезаряда, а следовательно, к умецьшецию скорости возрастания 11. При 11 О действие происходит в обратцом порядке.Описанное проиллюстрированно на фиг, За, причем показано удлинение периода перезаряда интегрирующего конденсатора 3, равного интервалу времени от момента 1 о до момента повторного достижения возрастающим напряжением П порогового значения У, В установившемся режиме при У=0 это соответствует моменту времени С 1. С появлением напряжения Б любой полярности период автоколебаййя удлиняется, а это значит, что возрастающее напряжение Пц в момент й, как показано на фиг. За, еще не достигает порогового напряжения УП (хотя при 0=0 оно бы его достигло). Послемомента С П продолжает возрастать, а Б продолжает спадать, и так до момента сравнения, после которого, как описано выше Ур начинает спаВ5 дать, Уп - возрастать. Но времени для возрастания Нп до момента прихо-. да очередного положительного перепада напряжения Б с выхода делителя15 осталось меньше, чем было в предыдущем такте при У =О. Следовательно, значения пороговых напряжений +оп и -У,1 станут меньше, а это приведет к тому, что в следующем такте период перезаряда интегрирующего кон денсатора 3 сократится и еще через несколько тактов переходной процесс закончится, установится новый стационарный режим, показанный на фиг.36, в для двух полярностей напряженияВХНа тех же фиг. Зб,в штриховыми линиями показаны начала развития переходных процессов при уменьшении входных напряжений ПВХ в момент. 25 Возрастающие напряжения Пц в обоих случаях достигают пороговых напряжений Бп раньше, чем достигли бы в установившемся режиме, а это приводит к возрастанию Ун в последующих тактах, и тем самым - к сохранению периода перезаряда интегрирующего конденсатора 3 неизменным. В случае резкого отклонения входного напряжения вступает в действие связь между инвертирующим выходом Р-триггера 17 и Б-входом Э-триггера 12. Благодаря этой связи Э-триггер 12 может переключиться только в интервале от момента прихода тактовогоимпульса4 О (положительного перепада) с выхода делителя 15 до момента срабатывания компаратора 7, после этого до момента прихода очередного. тактового импульса переключение Э-триггера 12 45 невозможно, что исключает явление самовозбуждения.Подача импульсов квантования с генератора 14 на С-входы Э-триггеров .12, 13,обеспечивает синхронизацию моментов переключений полярности . опорного напряжения, т.е. изменения полярности Б происходит не в моменты срабатывания компараторов 7 8, а в моменты приходапервого после срабатывания одного (любого) из ком 55 параторов квантующего импульса. В результате каждый интервал времени в течение которого на второй вход интегратора-сумматора 1 с выхода переключателя 11 поступает опорное напряжение одной полярности, содержит целое число периодов следования импульсов квантования. Тем самым исключается возможность накопления погрешности квантования,Форма напряжения на неинвертирующем выходе КЯ-триггера 18 полностьюсоответствует форме напряжения П навыходе переключателя 11, как показано на фиг, 3.Сравнительно низкое значение постоянной составляющей выходного напряжения интегратора-сумматора 1,а следовательно, и постоянной составляющей напряжения на интегрирующемконденсаторе 3 обеспечивается одновременным автоматическим регулированием как положительного пороговогонапряжения +Оп на входе компаратора7, так и отрицательного -Пп на входекомпаратора 8, Осуществляется этопреобразователями 19,20 временныхинтервалов в постоянные напряженияпротивоположных полярностей, которыепитаются или управляются от одногоЭ-триггера 17,Таким образом, за счет применениядвух преобразователей временных интервалов в постоянные напряжения итретьего Р-триггера, питающего преобразователи или управляющего имн, устройство обладает более высокой посравнению с прототипом точностью преобразования.Формула изобретения1. Интегрирующий аналого-цифровой преобразователь, содержащий интегратор-сумматор, первый вход которого является входной шиной, второй вход соединен с выходом переключателя, первый и второй информационные входы которого соединены с выходами источников опорных напряжений положительной и отрицательной. полярностей, а выход интегратора-сумматора соединен с первыми входами первого и второго компараторов, выходы которого соединены с Э-входами соответствующего первого и второго Э-триггеров, С-входы которых объединены с входом делителя частоты и тактовым входом преобразователя временных интервалов в код и подключены к выходу генератора импульсон квантования, о т л и ч а ю-и,Од д Составитель В.Иахнанов Техрец П.Олийнык Спеси ор И,Демчик Редак Подписно 4 НТ СССР м и от; рытия наб., д. 4/5 митета по изобрет ква, Ж, Раушс агарина,тент", г. кий комби изводствеино-из щ и й с я тем, что, с целью повьшения точности преобразователя, в неговведены третий П-триггер, КБ-триггери первый и второй преобразователивременных интервалов в постоянныенапряжения положительной и отрицательной полярностей, выходы которых соединены соответственно с вторыми входами первого и второго компараторов,а входы подключены соответственно кинверсному и прямому выходам третьего Э-триггера, С-вход которого соединен с выходом делителя частоты, Йвход объединен с Б-входом ВБ-триггера 15и подключен к инверсному выходу первого Р-триггера, инверсный выход второго 0-триггера соединен с к-входомВБ-триггера, прямой и инверсный выходы которого подключены соответствеп-Оно к первому и второму управляющим каз 348 ТирНИИПИ Государственного к113035, Мо входам преобразователя времеши гоинтервала в код, выход которого явпяется выходной шиной, инверсный выхопКБ-триггера соединен с управляющимвходом переключателя. 2. 11 реобразователь по и. 1, о т л и ч а ю щ и й с я тем, что преобразователь временного интервала в постоянное напряжение соответствующей полярности выполнен на диоде, резисторе, двух конденсаторах, первый вывод первого из которых является входом преобразователя, второй вывод подключен к первому выводу резистора и через диод к шине нулевого потенциала, второй вывод резистора является выходом преобразователя и через второй конденсатор соединен с шиной нулевого потенциала,