Аналого-цифровой преобразователь

(19) 1)4 Н 03 М 1/56 ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИ АВТОРСНО ИДЕТЕЛЬСТВ У(54) АНАЛОГО- (57) Иэобрете тике, вычисли технике и мож для построени РАЗОВАТЕЛЬ к автомарительной эованорового преЦИФРОВОЙ ПРЕОБ ие относится ельной и изме т быть исполь ОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССРО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ ИОТКРЫТИ 4(56) Гитис Э.И. Аналого-цифровыпреобразователи. - М.:,Энергоизд1981, с.225, рис.6-5.Быхтияров Г.Д. Аналого-цифропреобразователи. - М.: Советскоерадио, 980, с.163, рис.7.4. образователя (АЦП), для которого источником аналогового напряжения служит набор датчиков, гальваническиизолированных друг 1 от друга и от АЦПили находящихся под высоким или переменным потенциалом относительно другдруга и АЦП, или не допускающих питания постоянным напряжением, Изобретение позволяет расщирить областьиспользования и повысить точность,Это достигается тем, что в устройство, содержащее интегратор 1, компаратор 2, преобразователь 3 временного интервапа в код, блок 5 управления, датчик 7 напряжения, введенырегистр 4 и фильтр 6. 5 з.п.ф-лы,14 ил.На временных диаграммах (фиг.12- 14) обозначены: 42 - напряжение на четвертом выходе блока 51 43 - напряжение на выходе интегратора 1, 44 - напряжение на выходе дятчика 7, 45 - напряжение на выходе компаратора, 46 - напряжение на выходе элемента И 13, 47 и 48 - импульсы на выходе элемента ИЛИ 17; 49 и 50 - импульсы на третьем и втором выходах блока 5, 51 и 52 - напряжения на выходе интегратора 1 и датчика 7; 53 - напряжение на выходе компаратора 2.АЦП работает следующим образом, Генератор 8 непрерывно вырабатывает тактовые импульсы, частота которых й делится счетчиком 9 в 2 раз. Прямоугольные колебания напряжения 42 (фиг.12) с частотой Г/2 с выхода старшего разряда счетчика 9 поступают через фильтр 6 на датчик 7 и одновременно на вход интегратора 1, Если в качестве Фильтра 6 использован конденсатор достаточно большой емкости, эти колебания передаются на датчик 7 и интегратор 1 без искажений их Формы. Из них лишь исключается постоянная составляющая напряжения. Напряжение 43 на выходе интегратора 1 имеет Форму треугольныхколебаний. Если в качестве датчика 7используется потенциометр 28 и он(Фиг.8) подключен к парафазной вторичной обмотке трансформатора 29,выходное напряжение датчика 7 представляет собой прямоугольные колебания 44 (фиг.12), Фаза которых совпадает с Фазой колебаний напряжения42 или противоположна последней взависимости от направления смещениядвижка потенциометра 28 датчика 7 отсреднего положения. Амплитуда колебаний 44 на выходе датчика 7 пропорциональна степени смещения движка оФего среднего положения. Поэтому навыходе комапаратора 2 напряжениеимеет Форму прямоугольных колебаний45, имеющих сдвиг во времени относительно колебаний 42, линейно зависящий от смещения движка потенциометра 28 датчика 7,период колебаний 42;выходное напряжение датчика 7;амплитуда напряжения на выходе интегратора 1; 1 1295519 2Изобретение относится к автоматике, вычислительной и измерительнойтехнике и может быть использоаанодля построения аналого-цифрового преобразователя (АЦП), для которого источником аналогового напряжения служит набор датчиков, гальваническиизолированных друг от друга и от АЦПили находящихся под высоким или переменным потенциалом относительно друг 10друга и АЦП, или не допускающих питания постоянным напряжением.Целью изобретения является расширение области использования и повышение точности. 15На фиг.1 приведена функциональная схема преобразователя; на Фиг.2 Функциональная схема блока управления; на Фиг.3-6 - различные вариантыпостроения преобразователя временного интервала в код, на Фиг.7 - схемастробируемого компаратора; на фиг.811 - варианты выполнения датчиковнапряжения, на Фиг.12-14 - временныедиаграммы работы АЦП при выполнении 25преобразователей временного интервала в код и датчиков напряжений соответственно но Фиг. 3 и 8; 4 и 9; 5 и 9.Устройство (Фиг.1) содержит интегратор 1, комапаратор 2, преобразователь 3 временного интервала вкод, регистр 4, блок 5 управления,Фильтр 6 и датчик 7 напряжения.Блок 5 (Фиг.2) содержит генератор8 тактовых импульсов, счетчик 9 им. пульсов, элемент ИЛИ-НЕ 10 и элементы И 11 и 12.Преобразователь 3 может содержатьэлемент И 13 и реверсивный счетчик14 импульсов (Фиг,З), элементы И 15 40и 16, элемент ИЛИ 17 и счетчик 18импульсов (Фиг.4), элементы И .19 и20, элемент ИЛИ 21 и реверсивныйсчетчик 22 импульсов (Фиг.5), элементы И 23 и 24 и реверсивный счетчик 4525 импульсов (Фиг.б).Стробируемый компаратор (Фиг.7)содержит компаратор 26,двухступенчатый Э-триггер 27, С-вход которогосоединяется с первым выходом блока 5. 50Датчик 7 может содержать потенциометр 28 и трансформатор 29 (Фиг.8).,мостовой резистивный элемент30 ипредусилитель 31 (фиг.9), коммутатор32, трансформатор 33, потенциометры 5534 и трасформатор 35 (Фиг.10), уси- где Тлитель Зб мощности, трансформатор 37, "еэлектроды 38, предусилители 39 и 40 Пи коммутатор 41 (Фиг.11).1295519 4Поэтому между разрядностями счетчит- ков 9 и 14 должно выполняться соото ношение Х - алгебраическая величинасмещения движка потенциомера 28 датчика 7 от среднегположения;К - коэФфициент пропорциональности,Если трансформатор 29 не используется и вход питания датчика 7 подсоединен к фильтру 6 непосредственно,то величина Х может иметь только по- О ложительное значение.В преобразователе 3 величинапреобразуется в цифровой .код путем подсчета счетчиком 14 импульсов 46, поступающих с выхода элемента И 13 15 (фиг.3), импульсов 47 или 48 (фиг.13), поступающих с выхода элемента ИЛИ 17 (фиг.4), или импульсов, поступающих с второго входа преобразователя 3 (Фиг. 5) . В преобразователе 3 (фиг. 3) 20 импульсы 46 проходят на счетный вход реверсивного счетчика 14, когда напряжение 44 датчика 7 превосходитнапряжение 43 интегратора 1, причем при единичном логическом уровне на пряжения 42 импульсы 46 прибавляются к содержимому реверсивного счетчика 14, а при нулевом уровне напряжения 42 они вычитаются из содержимого реверсивного счетчика 14. Код с послед-ЗО него передается на регистр 4 по импульсам 49, поступающим с третьего выхода блока 5, в начале каждого очередного периода колебаний 42. Вслед за этим импульсами 50,поступаю-Э 5 щими с второго выхода блока 5, счетчик 14 обнуляется Таким образом, в регистре 4 хранится результат подсчета импульсов 46 за предыдущий период колебаний 42. Счет в прямом 40 направлении происходит в течение времени Т/4+(Т/4-ь), а счет в обратном направлении - в течение времени ъОбщий результат, накопленный в счетчике 14 за период Т, пропорционален времени Т/4+(Т/4-Т)- =Т/2-2, т.е. с учетом выражения (1) - величине Х. Таким образом, код на выходе регистра 4 отражает величину аналогового напряжения на входе АЦП. Раз ряды с первого по (и)-й реверсивного счетчика 14 отображает величину Х, а и-й разряд - знак этой величины. Максимальное время счета импульсов 46 равно полупериоду колеба ний, а частота импульсов 42 в четыре раза ниже частоты тактовых импульсов на счетном входе счетчика 9 (фиг.2). ш=п+2 .В преобразователе 3 (фиг.4) счетчик 18 не реверсивный, т,е. код в нем во время счета только возрастает. Счет происходит при одинаковых логических уровнях сигналов на первом и четвертом входах преобразователя 3 (сигналы 42 и 45, фиг,13). Когда сигнал 44 (Фиг.12) на прямом входе компаратора 2 совпадает по фазе с колебаниями 42, на счетный вход счетчика 18 поступают импульсы 47 и за полпериода колебаний 42, т.е, за вре-. мя Т/2, счет происходит в течение времени Т/4+(Т/4-1)=Т/2-Т. Когда сигнал 44 (Фиг. 13) на первом входе компаратора 2 противоположен по фазе колебаниям 42 (фиг.13), то на счетный вход счетчика 18 поступают импульсы 48 и счет происходит в тече- ние времени Т/2-Г. Таким образом, в обоих случаях, с учетом выражения (1), на счетчике 18 образуется код, пропорциональный величине Т/4+КХ, а за весь период Т - вдвое большей величине Т/2+2 КХ. Поскольку величина Т/2 соответствует половине максимального значения времени счета, соответствующего условию т =О или У =Б значение старшего, и-го разряда счетчика 18 можно поставить в соответствие величине Т/2. Тогда код, накопленный в счетчике 18, без учета его старшего разряда окажется пропорциональным величине Х. Значение старшего разряда счетчика 18 при этом можно рассматривать как знак величины Х: единичное значение этого разряда указывает на то, что Х О, а нулевое - на то, что Х ( О. Если старший разряд счетчика 18 передавать на регистр 4 с инверсией, то обеспечивается обратное обозначение знака числа, совпадающее с общепринятым обозначением чисел в дополнительном или обратном кодах. При этом оба рассмотренных варианта преобразователя 3 по представлению выходного кода АЦП оказываются эквивалентными. Соотношение между ш и и во втором варианте устройства то же, что и в первом.В преобразователе 3 (фиг.5) на реверсивный счетчик 22 счетные импульсы поступают с второго разряда5 12 счетчика 9 (фиг.2), и реверсивный счетчик 22 считает непрерывно; в прямом направлении, когда сигналы на первом и четвертом входах преобразователя 3 имеют одинаковые логические значения, и в обратном направлении, когда эти сигналы имеют противоположные логические значения. Таким образом, в этом случае счетчик 22 насчитывает вдвое большую величину, чем в преобразователе 3 по фиг, 3. Поэтому в этом случае ш=п+1.Возможно использование АЦП с питанием датчиков напряжением не прямоугольной формы, а, например, гармоническими колебаниями. Выходные напряжения 51 и 52 (Фиг.13) интегратора 1 и датчика 7 (фиг,14) в этом случае также имеют Форму гармонических колебаний. Сдвиг по фазе между колебаниями 42 и колебаниями 53 (на выходе компаратора 2) в этом случае пропорционален величинеПзагсса -ПиДля использования АЦП в этом режиме достаточно применить узкополосный фильтр б с частотой пропускания, равной основной частоте колебаний 42.Минимальная структура предложенного АЦП содержит блоки 1-7. Датчик 7 может иметь различное выполнение. Кроме трансформатора 29, в него могут быть введены другие дополнительные бло."и, например, предусилитель 31, необходимый для использования датчиков, выполненных по мостовой схеме (фиг.9), трансформаторы 33 и 35, коммутатор 32 при использовании гальванически изолированных потенци-, ометров 34 (фиг, 10), Коммутатор 41 и усилитель Зб мощности используют при подключении нескольких датчиков и при повышенных требованиях к мощности питания датчика. При измерениях электрических полей в электролитах или морской воде роль датчиков выполняет система электродов 38 (фиг. 11) опускаемых в электролит или в воду.Компаратор 2 может быть выполнен в виде стробируемого комапаратора (Фиг.7), а преобразователь 3 - с реверсивным счетчиком, имеющим два счетных входа; С 1 для прибавления единицы и С 2 для вычитания единицы (фиг.б).Стробируемый компаратор (фиг.7) состоит из компаратора 2 б и двухсту 95519 6 пенчатого В-триггера 27, 0-вход которого соединен с выходом компаратора 26, С-вход - с первым выходомблока 5, а выход - с первым входомпреобразователя 3. Уровень выходного напряжения П-триггера 27 переключается вслед за переключением уровня выходного напряжения компаратора26, но лишь в моменты спадаимпульсов на первом выходе блока 5. Приэтом все время, пока сигнал на первом выходе блока 5 имеет единичныйуровень, уровень выходного напряжения стробируемого компаратора 2 непереключается, поэтому импульсы наС-входе счетчика преобразователя 3имеют нормированную длительность,равную длительности импульсов навтором входе преобразователя 3. Использование стробируемого компаратора исключает воэможность появленияна счетном входе счетчика преобразователя 3 ненормированных по длительности (укороченных) импульсов, которые при наличии в счетчикецепейускоренного переноса могут вызватьошибки в счете, превышающие значениемладшего разряда счетчика. Питание датчиков переменным напряжением обусловливает возможность их гальванической развязки и использования АЦП для измерения электричесотношения напряжений (О /Ц ), пропорциональных напряжению питания датчика, обусловливает нечувствительность АЦП к нестабильности этого напряжения, а принцип работы преобразователя 3 - нечувствительность АЦП 40 к дрейфу нуля усилителей (интегратора 1, компаратора 2, предусилителей.31, 39 и 40). Формула изобретения Аналого-цифровой преобразователь, содержащий компаратор, первый вход которого соединен с выходом интегратора, выход компаратора соединен с первым входом преобразователя временного интервала в код, второй вход которого соединен с первым выходом блока управления, третий входс вторым выходом блока управления, о т л и ч а ю щ и й с я тем, что, с целью расширения области использо 50 55 ких полей в электролитах и морскойводе. Осуществляемое в АЦП измерение7 12955 вания и повышения точности устройства, в него введены датчик напряжения, фильтр и регистр, первые входы которого соединены с соответствующими выходами преобразователя времен 5 ного интервала в код, выходы являются выходными шинами, второй вход соединен с третьим выходом блока управления, четвертый выход которого непосредственно соединен с четвертым 10 входом преобразователя временного интервала в код и через фильтр с объединенными входами интегратора и датчика напряжения, выход которого соединен с вторым входом компарато ра,2. Преобразователь по п.1, о т -л и ч а ю щ и й с я тем, что блокуправления выполнен на генераторетактовых импульсов, счетчике импульсов, элементе ИЛИ-НЕ, первом и втором элементах И, выходы которых являются соответственно вторыми и тре тьими выходами блока управления,первые входы элементов И объединеныи соединены с выходом элемента ИЛИНЕ, второй вход первого элемента Иивторой инверсный вход второго элемента И объединены и соединены спервым входом счетчика импульсов, 30третьи входы элементов И объединенысо счетным входом счетчика импульсови соединены с выходом генератора тактовых импульсов, швыходов счетчика импульсов соединены с соответству" З 5ющими входами элемента ИЛИ-НЕ, гдеш " число разрядов счетчика импульсов, второй и ш-й выходы счетчикаимпульсов являются соответственнопервым и четвертым выходами блока 40управления.3. Преобразователь по п. 1, о т -л и ч а ю щ и й с я тем, что преобразователь временного интервала вкод выполнен на реверсивном счетчике 45импульсов и элемента И, первым и вторым входами которого являются соответственно первый и второй входыпреобразователя временного интервалав код, а выход элемента И соединен 50со счетным входом реверсивного счетчика импульсов, входами реверса исброса которого являются соответственно четвертый и третий входы преобразователя временного интервала в 55код, выходами которого являются выходы реверсивного счетчика импульсов.4, Преобразователь по п. 1 о т - .л и ч а ю щ и й с я. тем, что преоб 19 8разователь временного интервала вкод выполнен на счетчике импульсов,элементе ИЛИ, первом и втором элементах И, первый инверсный вход первогоэлемента И объединен с первым прямымвходом второго элемента И и являетсячетвертым входом преобразователявременного интервала в код, второйинверсный вход первого элемента Иобъединен с вторым прямым входомвторого элемента И и является первымвходом преобразователя временногоинтервала в код, третьи прямые входыпервого и второго элементов И объединены и являются вторым входом преобразователя временного интервалав код, выходы первого и второго элементов И соединены через элементИЛИ со счетным входом счетчика импульсов, вход сброса которого является третьим входом преобразователявременного интервала в код, пвыходами которого являются прямые выходысчетчика импульсов, а и-м выходомявляется инверсный выход счетчикаимпульсов, где п - число разрядовсчетчика импульсов. 5. Преобразователь по п.1, о т - л и ч а ю щ и й с я тем, что преобразователь временного интервала в код выполнен на реверсивном счетчике импульсов, элементе ИЛИ, двух элементах И, первый и второй инверсные входы первого элемента И объединены соответственно с первым и вторым прямыми входами второго элемента И и являются соответственно первым и четвертым входами преобразователя временного интервала в код, выходы элементов И через элемент ИЛИ соединены с входом реверса реверсивного счетчика импульсов, счетный вход и вход сброса которого являются соответственно вторым и третьим входами преобразователя временного интервала в код, выходами которого являются выходы реверсивного счетчика импульсов.6. Преобразователь по п.1, о т - л и ч а ю щ и й с я тем, что преобразователь временного интервала в код выполнен на реверсивном счетчике импульсов и двух элементах И, первый, второй третий прямые входы первого элемента И объединены соответственно с первым инверсным, вторым инверсным, третьим прямым входами второго элемента И и являются9 1295519 1 Осоответственно первым, четвертым и счетным входами реверсивного счетчивторым входами преобразователя вре- ка импульсов, вход сброса и выходы менного интервала в код, выходы пер- которого являются соответственно тревого и второго элементов И соединены тьим входом и выходами преобразовасоответственно с прямым и обратнымтеля временного интервала в код.ставитель А.Тхред В.Кадар в Корректор,М. Демчик дактор О.Юрковецка Тираж 902 Государственного ком делам изобретений и о , Москва, Ж, Раушс Заказ 62 Подписноеета СССР ВНИИПИ крытии ая наб д.4/5 113 Производственно-полиграфическое предприятие, г.ужгород, ул.Проектная,4