Многоканальный программируемый аналого-цифровой преобразователь

,8012660 в 4 Н 03 М 1 18 ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯК АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ формаци жет быть ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССРПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИ(71) Белорусское республиканское научнопроизводственное объединение Центр(57) Изобретение относится к инонно-измерительной технике и мо использовано в телеметрических системах. Изобретение позволяет расширить функциональные возможности устройства и повысить точность измерения медленно меняющихся сигналов за счет введения в устройство, содержащее блок управления, аналоговый коммутатор, оперативный запоминающий блок, первый аналоговый запоминающий блок, преобразователь напряжение - код и блок синхронизации, усилителя с программируемым коэффициентом усиления, аналогового сумматора, суммирующего усилителя, второго аналогового запоминающего блока, инвертирующего делителя, преобразователя код - напряжение и регистра. 1 з.п, ф-лы, 3 ил.Изобретение относится к информационно- измерительной технике и может быть использовано в телеметрических системах для измерения на подвижных и вращающихся объектах.Цель изобретения - расширение функ 5 циональных возможностей и повышение точности измерения медленно изменяющихся сигналов без существенного увеличения габаритов и энергопотребления.На фиг. 1 изображена структурная элект рическая схема многоканального программируемого аналого-цифрового преобразователя; на фиг. 2 - функциональная схема одного из возможных вариантов построения блока управления; на фиг. 3функциональная схема одного из возможных вариантов построения блока связи.Многоканальный программируемый аналого-цифровой преобразователь содержит блок 1 управления, входные шины 2, аналоговый коммутатор 3, усилитель 4 с программируемым коэффициентом усиления, преобразователь 5 код-напряжение, суммирующий усилитель 6, регистр , аналоговый сумматор 8, инвертирующий делитель 9, оперативный запоминающий блок 1 О, первый 11 и второй 12 аналоговые запоминающие 25 блоки, преобразователь 13 напряжение - код, блок 14 синхронизации, шины 1517 соответственно команд, данных и синхронизации.Рекурсивный фильтр 18 состоит из аналогового сумматора 8, инвертирующего аналогового делителя 9 и первого 11 и второго ЗО 12 аналоговых запоминающих блоков, управляемых противофазно.Блок 1 управления может быть реализован, например, по функциональной электрической схеме (фиг. 2), содержащей регистр 19 команды, дешифратор 20, второй счетчик 21 числа циклов, первый инвертор 22, первый счетчик 23 размера реализации, первый 24 и второй 25 триггеры, элемент 2 И - ИЛИ 26, формирователь 27 импульсов, мультиплексор 28, второй инвертор 29 и элемент ИЛИ 30.На управляющий и информационный входы регистра 19 команды поступают из блока 14 синхронизации (фиг. ) ссответственио импульсы сдвига и код команды.Блок 14 синхронизации может быть ре ализован, например, по функциональной электрической схеме (фиг. 3), содержагцей первый 31 и второй 32 приемники, узел 33 формирования пачек импульсов и передатчик 34.Многоканальный программируемый ана лого-цифровой преобразователь работает следующим образом.До поступления команды на управляющие входы усилителя 4 с. программируемым коэффициентом усиления и регистра 7 из блока 1 управления подаются управляющие сигналы, при которых напряжения на выходах усилителя 4 с программируемым коэффициентом усиления и преобразователя 5 кол напряжение, преобразующегов напряжение выходной код регистра 7, равны нулю. При этом напряжение на выходесуммирующего усилителя 6 также равнонулю. Это нулевое напряжение поступает навход аналого-цифрового рекурсивного фильтра 18 первого порядка, в котором функциюлинии задержки на один такт выполняетвторой аналоговый запоминающий блок 12,который управляется в противофазе с первым аналоговым запоминающим блоком 11,т. е. когда первый находится в режимевыборки, второй в режиме хранения, и наоборот. Нулевое напряжение запоминается вобоих аналоговых запоминающих блоках 11и 12 до начала измерения, Это необходимо для исключения влияния фииитного сигнала на работу фильтра 18, т. е. в первомтакте измерения на выходе второго аналогового запоминающего блока 12 напряжениеравно нулю, тогда на вход первого аналогового запоминающего блока поступает напряжение, равное входному напряжению фильтра 18.Команда, поступаюпая по шине 15 команд в блок 14 синхронизации, представляет собой двоичное слово. Согласно принятой команде происходит измерение входных сигналов, постуигпощих на шину 2 информационных входов. В каждой командеуказываются номер измеряемого канала, требуемый коэффициент усиления, размер реализации, число циклов рециркуляции и режим работы, т. е. или измеряется олин фон,или полезный сигнал.При работе устройства в режиме измерения фона на управляющие входы аналогового коммутатора 3, усилителя 4 с программируемым коэффициентом усиления и регистра 7 из блока 1 управления поступаюттакие управляющие сигналы, при которыханалоговый коммутатор 3 подключает требуемый канал к входу усилителя 4 с программируемым коэффициентом усиления, коэффициент усиления которого выставляетсясогласно команде, а выходной кол регистра 7 остается таким, ири котором напряжение на выходе преобразователя 5 код -напряжение равно нулю.Напряжение на входе усилителя 4 с программируемым коэффициентом равно. х= Ь Ф 1+ (,лр,где ЬФ напряжение фона и-го канала;У.р - дрейф усилителей 4 и 6, приведенный к входу.В свою очередь,Й= - /с+ Ь-где У.п. напряжение начального сдвигаи-го канала;Цпом -- напряжение помехи, возникаюшей на соединительных проводахв и-м канале.Напряжение сдвига, в свою очередь, состоит из напряжения смещения аналогового10 15 20 25 30 35 40 50 Км(сщ) - ( коммутатора и напряжения начального смещения источника сигнала (при тензометрии, например, это разбаланс тензомоста).Усиленное напряжение поступает на вход рекурсивного фильтра 18. В первом такте измерения, когда первый аналоговый запоминающий блок 11 берет первую выборку фонового сигнала, во втором аналоговом запоминающем блоке 12 хранится нулевое напряжение, которое не оказывает влияния на первую выборку, в дальнейшем напряжение рекурсивного фильтра 18 определяется выражением. у(иТ)=х(пТ) - Ьу(пТ - Т),где у(пТ) - напряжение п-й выборки на выходе фильтра;у(пТ - Т) - напряжение (и - 1) -й выборки навыходе фильтра;х(пТ) - напряжение на входе фильтрадля и-й выборки;Ь - коэффициент деления инвертируюшего аналогового делителя 9.Напряжение с выхода фильтра поступает на информационный вход преобразователя 13 напряжение - код, преобразуется в цифровой код и записывается на первую страницу оперативного запоминающего блока 10 по первому адресу. Аналогично по второму адресу первой страницы блока 10 записывается цифровой код второй выборки и т. д. Измерение фона в выбранном канале осуществляется многократно, при этом на первой странице оперативного запоминающего блока 10 записывается реализация случайного процесса, количество выборок в которой определяется командой. Когда число выборок сравнивается с требуемым, на управляющие входы усилителя 4 с программируемым коэффициентом усиления и регистры 7 числа поступают такие управляющие сигналы, при которых напряжение на выходе усилителя 4 с программируемым коэффициентом усиления равно нулю, а в регистр 7 числа поступает разрешение записи информации с выхода оперативного запоминающего блока 10. Напряжение с выхода преобразователя 5 код в напряжен, преобразующего цифровой код, считываемый из оперативного запоминающего блока 10 и записанный затем в регистр 7 числа, в напряжение, поступает на первый вход суммирующего усилителя 6. Таким образом, замыкается цепь обратной связи: аналоговый сигнал с выхода суммирующего усилителя 6 проходит через рекурсивный фильтр 18, преобразуется в цифровой код, затем снова в напряжение и поступает на вход суммирующего усилителя 6, т. е. происходит рециркуляция информации. Информация, хранящаяся по первому адресу в оперативном запоминающем блоке 10, переписывается в регистр 7 числа, преобразуется в аналоговое напряжение преобразователем 5 код - напряжение, усиливается суммирующим усилителем 6 и поступает на вход рекурсивного фильтра 18, выходное напряжение которого преобразуется в цифровой код преобразователя 13 напряжение - код и снова записывается по первому адресу на первую страницу оперативного запоминающего блока 10. При этрм оперативный запоминающий блок 1 О работает в режиме считывания тогда, когда первый аналоговый запоминающий блок 1 работает в режиме выборки, второй аналоговый запоминающий блок 12 - в режиме хранения, а преобразователь 13 напряжение - код - в режиме гашения, т. е. очистки выходного регистра и подготовки к следующему циклу преобразования. В это время источником информации является оперативный запоминающий блок 10. Когда первый аналоговый запоминающий блок 11 переходит в режим хранения, то уже он становится источником информации. При этом второй аналоговый запоминающий блок 12 переходит в режим выборки, преобразователь 13 напряжение - код - в режим преобразования, а оперативный цифровой запоминающий блок 10 - в режим записи.Таким образом, после окончания первого такта преобразования по первому адресу первой страницы оперативного цифрового запоминающего блока 10 записывается новое число, которое отличается от предыдущего тем, что аналоговый сигнал, цифровым эквивалентом которого оно является, дважды проходит через рекурсивный фильтр 18. Для информации, записанной по другим адресам оперативного цифрового запоминающего блока 10, процесс рециркуляции происходит аналогично. После окончания первого цикла рециркуляции на первой странице оперативного запоминающего блока 10 оказывается записанной реализация случайного процесса, все выборки которой дважды прошли через рекурсивный фильтр 18. Число циклов рециркуляции указывается в командном слове, и рециркуляция продолжается до тех пор, пока число циклов рециркуляции не совпадает с заданным. От числа циклов рециркуляции зависит частота среза рекурсивного фильтра 18, который для частот, лежащих в диапазоне 0 - (где Т2длительность такта преобразования выборки аналогового сигнала в цифровой эквивалент), является фильтром нижних частот, Амплитудно-частотная характеристика рекурсивного фильтра 18 первого порядка определяется выражением Е ) -.Ь - 2 ЬГ Ь - фф Ф 9 Т - длительность такта преобразования. Для М циклов рециркуляции коэффициент передачи имеет вид при этом должно быть выполнено условие, при котором общий коэффициент передачи в5 кольце рециркуляции должен быть равен 1 ири со= - 0 для любого значения М.. Из этого выражения можно определить, чему равна частота среза фильтра ири заданном числе циклов рециркуляции % - -=(л/2 1+Ь 2 - 2 Ьсовь 7 откуда10 или необходимое число циклов рециркуляции для получения требуемой частоты среза15 Ь 2 Ь ()Я (1 - Ь)2 После окончания процесса рециркуляции оперативный запоминающий блок 10 на один такт преобразования переключается на вторую страницу и информация о фоновом сигнале измеряемого канала переписывается на вторую страницу по адресу, равному номеру измеряемого канала.Так как в фоновом напряжении измеряемого канала, записанном на первой стра нице, после фильтрации отсутствуют или значительно ослаблены высокочастотные составляющие, то его выборки незначительно отличаются одна от другой, и лк)бая из них может быть использована для компенсации низкочастотных составляющих аддитивнои ЗО погрешности при измерении полезного сигнала.Таким образом, после измерения фона во всех каналах на второй странице оперативного запоминающего блока 10 записывается информация о фоновых напряжениях во всех каналах, причем номер канала равен адресу, ио которому записана информация о его фоновом напряжении.По окончании выполнения команды Измерение фона для каждого канала после окончания процесса рециркуляции и перезаписи информации на вторую страницу памяти, до поступления команды, ио которой начинается измерение фона в следующем канале, на регистр 7 подается такой управляющий сигнал, ири котором сигнал 45 на выходе преобразователя 5 код - -напряжение и, следовательно, финитный сигнал фильтра равен нулю.Измерение сигнала происходит следующим образом.При поступлении команды Измерение сигнала до начала процесса измерения аналоговый коммутатор 3 выбирает требуемый номер канала, а оперативный запоминающий блок 10 переключается на вторук) страницу иа адрес, равный номеру измеряемого канала, в режим считывания. Информация о фоновом напряжении в измеряемом канале переписывается в регистр 7 числа и хранится в нем в течение всего времени измерения. 1-а управляющий вход усилителя 4 с программируемым коэффициентом усиления подается упразляюгций сигнал, по которому выбирается требуемый коэффициент усиления.Аналогично тому, как и при измерении фона, на первую страницу оперативного запоминающего блока 10 записывается реализация случайного процесса, представляющая собой совокупность выборок суммарного сигнала, поступающего с выхода суммирующего усилителя 6 на вход рекурсивного фильтра 18. При преобразовании кода в напряжение преобразователем 5 коднапряжение происходит инверсия сигнала, поэтому сигнал на выходе суммирующего усилителя 6 пропорционален разности напряжений на его выходах, т. е.(Ь =-К(и - /Ф) .где К - коэффициент усиления суммирующего усилителя 6,Когда число выборок в реализации сравнивается с заданным, на управляющие входы усилителя 4 с программируемым коэффициентом усиления и регистр 7 подаются управляющие сигналы, ири которых коэффициент передачи усилителя 4 равен нулю, а регистр 7 переходит из режима хранения в режим записи. При этом замыкается кольцо рециркуляции, которая происходит аналогично, как ири измерении фона. При чепцом числе циклов рециркуляции инверсия информации, возникающая в кольце рециркуляции, влияния на результат измерения ие оказывает. Коэффициент усиления, размер реализации и число циклов рециркуляции должны для каждого канала выбираться точно такими же, как и при измерении фона в этом канале, при этом полностью компенсируется аддитивная составляющая погрешности измерения, накапливающаяся ири рециркуляции. После окончания иэоцесса рециркуляции на первой странице оперативного запоминающего блока О оказывается записанным сигнал, измеряемый в выбранном канале в течение времени записи реализации, причем высокочастотные составляюгцие аддитивной смеси сигнала и щума, действующей на входе устройства, отфильтровываются рекурсивным фильтром 18, а низкочастотный аддитивный шум и начальный сдвиг устра. ияются за счет алгебраического суммирования полезного сигнала с фоном в суммирующем усилителе 6. Измерение сигнала в каждом канале заканчивается выводом информации из оперативного запоминающего блока 10 через регистр 7 в блок 14 синхронизации и на шину 6 данных ио сигналу, поступающему в блок 14 из блока 1 управления, Причем может быть выведена как и вся реализация сигнала, так и одна его последняя выборка.7Измерение сигнала в других каналах происходит аналогично.Размер реализации выбирается исходя издлительности входного сигнала и из требуемой скорости измерения.Применение аналого-цифрового программируемого рекурсивного фильтра 18 с управляемым числом циклов рециркуляции позволяет оперативно перестраивать амплитудно-частотную характеристику измерительного тракта в зависимости амплитудно-частотной характеристики источника входного сигнала, при этом увеличивается отношениесигнал-шум на информационном входе преоб 5 О разователя 13 напряжение - код и тем самым повышается точность измерения.Работа блоков 1 и 14 соответственно управления и синхронизации происходит следующим образом (фиг. 1 - 3).При поступлении на шину 15 команд командного слова в последовательном коде, а на шину 17 синхронизации синхроимпульсов команда, пройдя через первый приемник 31, служащий для согласования входа блока 1 управления с шиной 5 команд, записывается в регистр 19 команд. При этом узел 33 формирования пачек импульсов вырабатывает пачку импульсов, число которых равно 25 количеству двоичных разрядов командного слова. Эти импульсы являются импульсами сдвига регистра 19 команд. Узел 33 формирования пачек импульсов запускается стартовой посылкой, поступающей перед первым разрядом командного слова. После прихода 30 стоповой посылки импульсы сдвига прекраШают поступать на управляющий вход регистра 19 команды и вырабатывается сигнал Команда принята, представляющий собой короткий положительный импульс.До поступления сигнала Команда приня- З 5 та оба триггера 24 и 25 и оба счетчика 21 и 23 находятся в нулевом состоянии. При этом регистр 7 обнулен сигналом логической 1, поступающей с выхода второго триггера 25, а дешифратор 40 20 блокирован сигналом логической 1, поступающей с выхода первого триггера 24, коэффициент усиления усилителя 4 с программируемым коэффициентом усиления равен нулю.В режиме Измерение фона блок 1 уп равления работает следующим образом.С пятого выхода регистра 19 команды на информационный вход второго триггера 25 и второй вход первой схемы И элемента 2 И - ИЛИ 26 поступает логический 0, при этом на первый вход второй схемы И эле мента 2 И - ИЛИ 26 поступает логическая 1, при этом на выходе имеется логический 0 до тех пор, пока не появится сигнал переполнения счетчика 21, при этом на время этого импульса переполнения страница оперативного запоминающего блока 1 О переключается с первой на вторую, а мультиплексор пропускает на адресную шину оперативного запоминающего блока 10 сигналы с выходов счетчика 23. Сигналы переполнения счетчиков 21 и 23 представляют собой короткие отрицательные импульсы.При поступлении сигнала Команда принята первый триггер 24 изменяет свое состояние на противоположное, при этом раз. блокируется дешифратор 20, а второй триггер 25 не изменяет своего состояния и регистр 7 остается обнуленным. При переполнении счетчика 23 первый триггер 24 снова переключается в нулевое состояние, дешифратор 20 блокируется, а на управляющий вход регистра 7 подается сигнал разрешения записи. При этом второй триггер 25 также изменяет свое состояние на противоположное и с регистра 7 снимается обнуление. В таком состоянии триггеры 24 и 25 находятся до появления сигнала переполнения счетчика 21, который устанавливает второй триггер 25 в исходное нулевое состояние и, поступая на третий вход формирователя импульсов, разрешает вывод информации на шину 16 данных через блок 14.В режиме Измерение сигнала блок 1 управления работает следующим образом.С пятого выхода регистра 9 команды на информационный вход второго триггера 25 и второй вход первой схемы И элемента 2 И - ИЛИ 26 поступает логическая 1.При этом сигнал Команда принята проходит на выход элемента 2 И - ИЛИ 26, переключает мультиплексор 28 и страницу оперативного запоминающего блока 10 и, кроме того, разрешает запись в регистр 7, После окончания сигнала Команда принята регистр 7 переходит в режим хранения. Оба триггера 24 и 25 при поступлении сигнала Команда принята изменяют свое состояние на противоположное, при этом разблокируется дешифратор 20 и снимается обнуление с регистра 7. После переполнения счетчика 23 первый триггер 24 изменяет свое состояние на противоположное, при этом блокируется дешифратор 20 и разрешается запись в регистр 7 числа, а второй триггер 25 своего состояния не изменяет. Сигнал переполнения счетчика 21 устанавливает второй триггер 25 в исходное нулевое состояние и разрешает вывод информации на шину 16 данных.Формирователь 27 импульсов формирует из последовательности синхроимпульсов импульсы управления первым и вторым аналоговыми запоминающими блоками 11 и 12, цифровым оперативным блоком 10, преобразователем 13 напряжение - код, регистром 7 числа и счетчиком 23 размера реализации.Форлула изобретенияМногоканальный программируемыйаналого-цифровой преобразователь, содержа1266002 10 1 О 15 20 25 зо 4 о 15 1 б 17 Фиг.1 жий блок управления, первый, второй, третий и четвертый выходы которого соединены соответственно с первыми входами аналогового коммутатора, оперативного запоминающего блока, преобразователя напряжение в к и блока синхронизации, второй и третий входы которого являются соответственно шиной команд и шиной синхронизации, а первый и второй выходы соединены с первым входом блока управления и выходной шиной, первый аналоговый запоминающий блок, выход которого через преобразователь напряжение в к соединен с вторыми входами оперативного запоминающего блока, отличающийся тем, что, с целью расширения функциональных возможностей и повышения точности измерения медленно изменяющихся сигналов, в него введены усилитель с программируемым коэффициентом усиления, аналоговый сумматор, суммирующий усилитель, второй аналоговый запоминающий блок, инвертирующий делитель, преобразователь код - напряжение и регистр, причем пятый, шестой, седьмой и восьмой выходы блока управления соединены соответственно с первыми входами усилителя с программируемым коэффициентом усиления, регистра, первого и второго аналоговых запоминающих блоков, при этом вторые входы аналогового коммутатора являются входными шинами, а выход через усилитель с программируемым коэффициентом усиления соединен с первым входом суммирующего усилителя, второй вход которого через преобразователь код - напряжение соединен с выходами регистра, вторые входы которого соединены с выходами оперативного запоминающего блока, второй вход второго аналогового запоминающего блока соединен с выходом первого аналогового запоминающего блока, выход которого через инвертирующий делитель соединен с первым входом аналогового сумматора, второй вход которого соединен с выходом суммируюгцего усилителя, выход - с вторым входом первого аналогового запоминающего блока, а четвертые входы блока синхронизации соединены с выходами регистра.2. Преобразователь по п. 1, отличающийся тем, что блок управления выполнен на регистре команды, дешифраторе, двух счетчиках, двух инверторах, двух триггерах, элементе 2 И - ИЛИ, формирователе импульсов, мультиплексоре, элементе ИЛИ, выход которого является шестым выходом блока управления, третий, четвертый, шестой, седьмой и восьмой выходы которого являются с первого по пятый выходами формирователя импульсов, шестой выход которого соединен с первым входом первого счетчика, вторые входы которого соединены с первой группой выходов регистра команды, вторая группа выходов которого соединена с первыми входами мультиплексора и является первыми выходами блока управления, вторые выходы которого являются выходами мультиплексора, второй вход которого соединен с выходом элемента 2 И - ИЛИ и является вторым выходом блока управления, а третьи входы соединены с первыми выходами первого счетчика, второй выход которого соединен с первым входом второго счетчика, Я-входом первого триггера и 5-входом второго триггера, 0-вход которого объединен с первым входом элемента 2 И - ИЛИ и входом первого инвертора и подключен к третьему выходу регистра команды, выход первого инвертора соединен с вторым входом элемента 2 И в И, третий вход которого объединен с С-входами триггеров, первым входом элемента ИЛИ, первым входом формирователя импульсов и является первым входом блока управления. шестой выход которого является выходом второго триггера, Я-вход которого объединен с первым входом второго инвертора, вторым входом формирователя импульсов и соединен с выходом второго счетчика, входы которого соединены с четвертой группой выходов регистра команды, пятая группа выходов которого соединена с первыми входами дешифратора, второй вход которого объединен с вторым входом элемента ИЛИ и подключен к выходу первого триггера, 5- и 0-входы которого подключены к шине положительного потенциала, первый и второй входы регистра команды и третий вход формирователя импульсов являются первыми входами блока управления, пятые выходы которого являются выходами дешифратора, а четвертый вход элемента 2 И - ИЛИ соединен с выходом второго инвертора.1 Инцэормаи,1 едактор О. Головаказ 5682/58ВН Составитель И. Р ч Техред И. Верес Тираж 816 ИИПИ Государственного к по делам нзобретений и 5, Москва, Ж - 35, Раушс ППП Патент, г. Ужгоро