Способ аналого-цифрового преобразования и устройство для его осуществления

ОПИСАНИЕИЗОБРЕТЕНИЯК АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ Союз СоветскихСоциалистическихРеспублик(61) Дополнительное к авт. свид-ву(22) Заявлено 17,10 80(21) 2993340/18-21с присоединением заявки М(23) ПриоритетОпубликовано 30.07.82. Бюллетень Мо 28Дата опубликования описания 300782 Р 1 М К Н 03 К 13/20 Государственный комитет СССР по делам изобретений и открытий(72) Авторы изобретения дентрнльное конструкторское бюро гидрометеоролобнееекесо, приборостроения(54) СПОСОБ АНАЛОГО-ЦИФРОВОГО ПРЕОБРАЗОВАНИЯ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯИзобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в системах автоматического измерения, а также в качестве автономного измерительного прибора с автоматической цифровой коррекцией аддитивной и мультипликативной пог-. решностей аналоговой величины в цифровой код.Известен способ аналого-цифрового преобразования, основанный на подключении первого эталонного напряжения к преобразователю напряжение- частота, формировании номинального времени измерения путем подсчета импульсов эталонной частоты, равного номинальному значению множителя калибровки, с одновременным подсчетом импульсов частоты, пропорциональной первому эталонному напряжению эа сформированное время, подключении второго эталонного напряжения к преобразователю напряжение-частота, подсчете количества импульсов частоты, пропорциональной второму эталонному напряжению, до значения, равного разности номинального значения, соответствующего максимальному входному напряжению, и подсчитанного ранее количества импульсов, с одновременным подсчетом количества импульсов эталонной частоты, формированием нового значения множителя калибровки, сравнением значений полученного и номинального множителей калибровки, повторением вышеуказанных операций в случае, если результат сравнения больше заданного, Формировании множителя смещения нуля путем подсчета импульсов частоты, пропорциональной первому эталонному напряжению за время измерения, равное времени подсчета количества импульсов эталонной частоты, равного значению множителя калибровки в случае, если результат сравнения меньше или равен заданному, последующем подключении измеряемого напряжения к преобразователю напряжение-частота, о величине которого судят по разности количества импульсов частоты, пропорциональной измеряемому напряжению за время измерения, и множителя смещений нуля.Известно устройство для осуществления способа, которое содержит источники измеряемого и двух эталонных напряжений, преобразователь напряжение-частота, аналоговые переключатели, блок управления, элементы И, 947962реверсивные счетчики и генератор эталонной частоты 111 .Недостатком известных способа и устройства, его реализующего, является низкое быстродействие операции измерения, обусловленное тем, 5 что в зависимости от ухода характеристик промежуточного преобразователя напряжение-частота осуществляется несколько итеративных тактов калибровки, в результате которых форми О руются значения начальной установки и времени измерения.Наиболее близкими к предлагаемым являются способ аналого-циФрового преобразования с цифровой коррекцией погрешностей и устройство, реализующее способ.ь Способаналого-цифрового преобразования основанна преобразовании на такте калибровки в частоту следования им пульсов двух эталонных напряжений и определений соответственно кода, пропорционального разности количеств импульсов частот, пропорциональных эталонным напряжениям, подсчитанным за постоянное время, преобразовании на такте измерения в частоту следования импульсов измеряемого напряжения, запоминании на такте Калибровки после преобразования в частоту следования импульсов двух эта 30 лонных напряжений количества импульсов частоты, пропорциональной одному из эталонных напряжений, подсчитанных за постоянное время, а определение выходного кода на такте измерения осуществляют путем подсчета за время измерения разности количеств импульсов частот, пропорциональных измеряемому напряжению и запомненному эталонному напряжению, 40Устройство для осуществления способа содержит преобразователь напряжение-частота, вход которого через аналоговые переключатели соединен с выходами источников двух эталон ных и измеряемого напряжений, блок управления, три выхода которого соединены с управляющими входами аналоговых переключателей, выход преобразователя напряжение-частота соеди нен с первыми входами первого, второго и третьегоэлементов И, другие входы второго и третьего элементов И соединены с первым и вторым выходаМи блока управления, генератор импульсов постоянной частоты, выход которого соединен с одним входом четвертого элемента И, выход которого соединен с входом второго счетчика, выход первого элемента И соединен с суммирующим входом второго 60 счетчика, выходы второго и третьего элементов И соединены с вычитающим и суммирующим входами третьего счетчика, выходы первого и третьего счетчиков соединены с входами двоич ного умножителя, выход которого через четвертый счетчик соединен с первым входом блока управления, пятый счетчик, вход которого соединен с выходом второго элемента И, и второй двоичный умножитель, входы которого соединены с выходами первого и пятого счетчиков, а выход соединен с вычитающим входом второго счетчика, третий вход блока управления соединен с другими входами первого и четвертого элементов И, а выход генератора импульсов постоянной частоты соединен с вторым входом блока управления 121.Недостатком известных способа и устройства, его реализующего, является низкое быстродействие, обусловленное тем, что общее время преобразования равно длительности трех тактов преобразования и выбирается исходя из заданной погрешности аналого-цифрового преобразования и минимальной частоты на выходе преобразователя напряжение-частота. Кроме того, низкое быстродействие способа и устройства при измерении быстро- меняющихся процессов приводит к появлению значительной динамической погрешности в процессе измерения, так как за время аналого-цифрового преобразования измеряемое напряжение может измениться. Цель изобретения - повышение быстродействия и уменьшение динамической погрешности преобразования.Поставленная цель достигается тем, что в способе аналого-цифрового преобразования, основанном на линейном преобразовании двух эталонных и измеряемого напряжений в частоту следования импульсов, введены операции формирования заданного количества периодов частот, пропорциональных двум эталонным и измеряемому напряжениям, подсчета разности количеств импульсов постоянной частоты за заданное количество периодов частот, пропорциональных первому эталонному и измеряемому напряжениям, формирования первой частоты, пропорциональной произведению указанной разности на количество импульсов постоянной частоты за заданное количество периодов частоты, пропорциональной второму эталонному напряжению, подсчета разности количеств импульсов постоянной частоты за заданное количество периодов частот, пропорциональных первому и второму эталонным напряжениям, формирования второй частоты, пропорциональной произведению второй раз- ности на количество импульсов постоянной частоты за заданное количество периодов частоты, пропорциональной измеряемому напряжению, и55 деления первой и второй сформированных частот, а в устройство для осуществления способа, содержащее ис-ч точники двух эталонных и измеряемого напряжений, соединенные через первый второй и третий аналоговые ключи 5 с входом преобразователя напряжение- частота, блок управления, три первых .выхода которого соединены со вто рыми входами аналоговых ключей и первыми входами первого, второго 10 и третьего элементов И, причем выход первого элемента И соединен с суммирующим входом первого счетчика выход второго элемента И соединен с суммиРующим входом второго счетчика, выход третьего элемента И соединен с суммирующим входом третьего счетчика, четвертый счетчик, пятый счетчик, выход которого соединен с входом блока управления, генератор импульсов постоянной частоты, выход которого соединен с вторым входом третьего элемента И, первый двоичный умножитель, управляющие входы которого соединены с выходами первого счетчика, второй двоичный умножитель, управляющие входы которого соединены с выходами третьего счетчика, четвертый элемент И, введены третий двоичный умножитель, управляющие входы которого соединены с выходами второго счетчика, а счетный вход - с выходом первого двоичного умножителя, четвертый двоичный умножитель, управляющие входы которого соединены с выходами четвертого 35 счетчика, а счетный вход - с выходом второго двоичного умножителя, пятый элемент И, один вход которого соединен с выходом четвертого двоичного умножителя, а выход - с входом 40 пятого счетчика, причем выход генератора импульсов постоянной частоты соединен с вторыми входами первого и второго элементов И и первого и второго двоичных умножителей, сум мирующий и вычитающий входы четвертого счетчика соединены с выходами первого и второгО элементов И соответственно, четвертый выход блока управления соединен с вторыми выходами четвертого и пятого элементов И, первый вход четвертого элемента И соединен с выходом третьего двоичного умножителя, выход преобразователя напряжение-частота соединен с вторым входом блока управления, а выход третьего элемента И - с вычитающим входом первого счетчика.На фиг.1 изображена структурная схема устройства для осуществления способа аналого-цифрового преобра зования; на фиг.2 - схема блока управления, вариант.Устройство содержит источники 1 и 2 эталонных напряжений, источник 3 измеряемого напряжения, .клю чи. 4 - 6, блок 7 управления, преобразователь 8 напряжение-частота, генератор 9 постоянной частоты, элементы И 10 - 12, счетчики 13 - 16, двоичные умножители 17 - 20, элементы И 21 и 22, счетчик 23.Блок 7 управления состоит из триггеров 24 - 27, элементов И 28 - 30, элемента ИЛИ 31, счетчика 32. Блок 7 управления предназначен для выработки временных интервалов То, Тп, и Т, соответствующих двум эталон ным 0 и О, и измеряемому Онапряжениям, и управления работой аналогоцифрового преобразователя.Лналого-цифровое преобразование по предлагаемому способу проводится слецующим образом.Линейное преобразование первого, второго эталонных,и измеряемого напряжений в частоту осуществляется с помощью преобразователя 8 напряжение-частота с выходной характеристикой+К 0 х ггде Г - частота на выходе преобразователя 8 напряжение-частотафР - начальная частота преобразователя 8 напряжение-частота;К - крутизна преобразователя 8напряжение-частота;0 - напряжение на входе преобразователя 8 напряжение-частота.В общем случае Г и К; нестабильны из-за изменения напряжений источников питания, изменения температурно;влажностного режима работы, старения комплектующих элементов и прочих дестабилизирующих факторов,Подключение на вход преобразователя 8 напряжение-частота источников 1 - 3 первого Оо и второго 0, эталонных и измеряемОго О напряжений осуществляется через ключи 4 - 6, управляемые блоком 7 управления. При поступлении на блок 7 управления команды "Пуск" триггер 24 устанавливается в единичное состояние и подает разрешение на элемент И 28, через который импульсы частоты Р с. выхода преобразователя 8 напряжение-частота постую, пает на вход элемента ИЛИ 31 и далее на вход счетчика 32 емкостью и импульсов.После подсчетаимпульсов импульс переполнения с выхода счетчика 32 возвращает в исходное нулевое) состояние триггер 24, который подает соответствующий сигнал на ключ 4, в результате чего источник 1 первого эталонного напряжения отключается от входа преобразователя 8 напряжение- частота. Время заполнения счетчика 32 и определяет длительность каждого такта преобразования. Установка в исходное нулевое ) состояние тригге 947962ра вызывает установку в единичноесостояние триггера 25, который через ключ.5 иодключит на вход преобразователя 8 напряжение-частота источник 2 второго эталонного напряжения О, . Импульсы частоты Р с выхода 5преобразователя 8 напряжение-частотапоступают через элемент И 29 и элемент ИЛИ 31 на вход счетчика 32. После переполнения счетчика 32 триггер25 переводится в исходное 1 нулевое ) 10состояние, а триггер 26 устанавливается в единичное состояние, и источник 3 измеряемого О напряжения подключается через ключ 6 к входу пре"образователя 8 напряжение-частота.Импульсы преобразованной частотыс выхода преобразователя 8 напряжение-частота поступают через элементИ 30, на другой вход которого поступает разрешение с выхода триггера26, и элемент ИЛИ 31 на вход счетчика 32. При поступлении на счетчик32 и импульсов он переполняется,и импульс переполнения переводит триггер 26 в исходное нулевое) состояние. 5Триггер 27 переводится в единичноесостояние и подает разрешение на элементы И 21 и 22.Аналого-цифровое преобразованиепроисходит за 4 такта,На первом такте формируется временной интервал Т. 1 040 который заполняется импульсами частотыГ,с выхода генератора 9 постоянной частоты. Количество импульсов ЙН: 745 через элемент И 10, на другой вход которого подается разрешение с выхода триггера 24 блока 7 управления, поступает на суммирующие входы счетчиков 13 и 15,50На втором такте на вход преобразователя 8 напряжение-частота подается напряжение О и формируется временной интервал Т)т:п.Ф, 55где1Ръ:Р +КУп,который заполняется импульсами часто-,тыР цп с генератора 9 постоянной частотй. Количество импульсов М"=Зап Ъчерез элемент И 11; на другой входкоторого подается разрешение с триг гера 25 блока 7 управления, поступает на вход счетчика 14 и вычитающий вход счетчика 15.На третьем такте на вход преобразователя 8 напряжение-частота подается напряжение Оу и формируется временной интервал Т 3Т:и Фгде44 ) )Хкоторый заполняется импульсами часъ тоты . Количество импульсов Й 33через элемент И 12, на другой вход которого подается разрешение с триггера 26 блока 7 управления, посту- . пает на вычитающий вход счетчика 13 и вход счетчика 16.К концу третьего такта формируется раз ность М 4 количеств имп уль сов постоянной частотыРза заданное(п) количество периодов частот, пропорциональных первому эталонному 0 ио измеряемомуО напряжениямМ = )се, Г 3 )Эта разность записывается в счетчике 13.Таким же образом формируется разность О 5 количеств импульсов постоянной .частоты Г за заданное и количество периодов частот, пропорциональ. ных первомуОо и второмуО эталонным напряжениямГ "-"= Мп 1).Эта разность записывается в счетчике 15.Формирование частоты Г 5, пропорциональной произведению разности И 4 на количество импульсов Й постоянной. частотыРзза заданное.п) количество периодов частоты, пропорциональной второму эталонномуОп) напряжению, осуществляется с помощью умножителей 17 и 18. На выходе двоичного умножителя 17 формуруется частота РЬ ьс 10 д4где А - емкость счетчика 13.Эта частота поступает на вход двоичного умножителя 18, на выходе которого формируется частота ГРз Г - =РЯ Й м- 6 В за. Л Ьгде В - емкость счетчика 14.Формирование частоты Е, пропорциональной произведению разности М на количество импульсов М постоянной частотыГ за заданноео) количество периодов частоты, пропорциональной рзмеряемомуО напряжению, осуществляется с помощью двоичных умножи947962 10 Формула изобретения 10 Е Е.С Оалых. Р Р й й 30 35 45 50 55 телей 19 и 20. На выходе двоичногоумножителя 20 формируется частота Р 84 э8 Зса сгде С - емкость счетчика 16.Эта частота поступает на вход 5двоичного умножителя 19, на выходекоторого формируется частота Р 5 ЬГ =Г;- 1- И ) ЭаР.где 2 - емкость счетчика 15.На четвертом такте осуществляется определение кода, пропорционального измеряемому Ох напряжению,Операция определения отношениячастот Г 5 и Г осуществляется с помо 1щью счетчика 23, элементов И 21 и22, на которые подается разрешениес выхода триггера 30 блока 7 управления. Емкость счетчика 23 равна Е. Им пульс переполнения счетчика 23 переводит триггер 27 блока 7 управленияв исходное нулевое) состояние,запирая элементы И 21 и 22. Следовательно, время, в течение которого счетчик 23 переполнится, равно За это время на выход устройствас выхода элемента И 21 поступаетколичество импульсовМ М, ЕС 24 ЕЫХ бТВЫХ. ЗаР. А 8 1= й М=ЕА Ь 11 Ъ 115Подставим в последнее выражениезначенияС В ъаР,ъаР,А 1 э)Т РэаР э заР. 1 9.)т т-т)49 тт 1-т)Умножая числитель и знаменательпоследнего выражения на Е, ГЭ, Г 4.,получим С 11 4 йЙ =Е -ьых А 6 Г -ГР +К.Оф+К О ) ОХ-ОоК, -+, О,) СЗЭгде С = Е - - коэффициент пропорциональности.Из выражения дляй следует, что 60 результат аналого-цифрового преобразования не зависит от характеристик преобразователя 8 напряжение-частота Г 1 и К и от частотыГгенератора 9 постоянной частоты. 65 Технико-экономический эффект предлагаемых способа и устройства заключается в повышении быстродействия аналого-цифрового преобразбвания, которое составляет менее 0,3 с, а следовательно, и снижении динамической погрешности. 1. Способ аналого-цифрового преобразования, основанный на линейном преобразовании двух эталонных и измеряемого напряжений в частоту следования импульсов, о т л и ч а ю щ и й" с я тем, что, с целью повышения быстродействия и динамической точности преобразования, формируют заданные количества периодов частот, пропорциональных двум эталонным и измеряемому напряжениям, подсчиты-. вают разность количеств импульсов постоянной частоты за заданное количество периодов частот, пропорциональных первому эталонному и измеряемому напряжениям, формируют первую частоту, пропорциональную произведению указанной разности на количество импульсов постоянной частоты за заданное количество периодов частоты, пропорциональной второму эталонному напряжению, подсчитывают разность количеств импульсов постоянной частоты за заданное количество периодов частот, пропорциональных первому и второму эталонным напряжениям, формируют вторую частоту, пропорциональную произведению второй разности на количество импульсов постоянной частоты за заданное количество периодов частоты, пропорциональной измеряемому напряжению, и определяют отношение первой и второй сформированных частот.2. Устройство для осуществления способа по п.1, содержащее, источники двух эталонных и измеряемого напряжений, соединенные соответственно через первь 1 й, второй и третий аналоговые ключи с входом преобразователя напряжение-частота, блок управления, три первых выхода которого соединены с вторыми входами аналоговых ключей и первыми входами первого, второго и третьего элементов И, причем выход первого элемента И соединен с суммирую-.,им входом первого счетчика, выход второго элемента И соединен с суммирующим входом второго счетчика, выход третьего элемента И соединен с суммирующим входом третьего счетчика, четвертый счетчик, пятый счетчик, выход которого соеди нен с входом блока управления, генератор импульсов постоянной частоты, выход которого соединен с вторым входом третьего элемента И, первыйдвоичный умножитель, управляющиевходы которого соединены с выходамипервого счетчика, второй двоичныйумножитель, управляющие входы которого соединены с выходами третьегосчетчика, четвертый элемент И, о тл и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью повышения быстродействия иуменьшения динамической погрешности,в него введены третий двоичный умножитель, управляющие входы которогосоединены с выходами второго счетчика, а счетный вход - с выходом первого двоичного умножителя, четвертыйдвоичный умножитель, управляющиевходы которого соединены с выходамичетвертого счетчика, а счетный входс выходом второго двоичного умножителя, пятый элемент И, один входкоторого соединен с выходом четвертого двоичного умножителя, а выходс входом пятого счетчика, причемвыход генератора импульсов постоянной частоты соединен с вторыми входами первого и второго элементов И и первого и второго двоичных умно. - жителей, суммирующий и вычитающий входы четвертого счетчика соединены с выходами первого и второго элемен- " 5 тов И соответственно, четвертый выход блока управления соединен с вторыми выходами четвертого и пятого элементов И, первый вход четвертого элемента И соединен с выходом тре тьего двоичного умножителя, выходпреобразователя напряжение-частота соединен с вторым входом блока управления, а выход третьего элемента И - с вычитающим входом первого счетчика. Источники информации,принятые во внимание при экспертизе1. Патент США Р 3633202, кл.340347 АД, опублик. 04.02.74.2. Авторское свидетельство СССРпо заявке 9 2866283/28кл. Н 03 К 13/20, 10.01.80.947962 Составитель Л, БеляеваРедактор А. Огар ТехредЛ. Пекарь корректор ятк Патент , г. ужгород, ул. Проектная илиал з 56.6ВНИИПИ Госупо делам113035, Моск Тираж 959рственногоизобретениЖ, Ра Подписноеитета СССРоткрытийая наб., д. 4/