Аналого-цифровой преобразователь

) 4 Н 03 М 1/5 СССРКРЫТИЙ ГОСУДАРСТВЕННЬЙ НОМИ ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ ПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ К АВТОРСК СВИДЕТЕЛЬСТВУ ельство СССР 7/00, 1973. ство СССР 1/56, 1984. ОВАТЕЛЬзмериспольенийческихричес(57) Изобретение относится ктельной технике и может бытьзовано для измерения сопротивили их отношений, а также физвеличин, преобразуемых в элек кие напряжения с помощью датчиков сопротивлений. Изобретение позволяетповысить помехоустойчивость, точ-,ность. Это достигается тем, что вустройство, содержащее датчик 3 сиг"нала, интегратор 8, компаратор 9,преобразователь 10 временного интервала в код, регистр 11, накопительныйэлемент 12, выполненный на конденсаторе, блок управления, выполненныйна распределителе 1 импульсов, введены формирователь 2 переменного напря "жения, два накопительных элемента 13,14, выполненных на конденсаторах, интегратор 5, блоки 6, 7 фиксации сиг"нала. 3 з.п. ф-лы, 5 ил,.1388987 40 татора 4; 50 - на выходе интеграто ра 5; 51 - на выходе блока б; 52- на втором выходе датчика 3; 53 - на выходе блока 7; 54 - на выходе интегратора 8; 55 на выходе компаратора 9.На временных диаграммах фиг.3обозначены напряжения: 56 " на входе формирователя 2 57 - на управляющих входах ключей 19 и 20 блоков 6 и 7 и на входе преобразователя 10;58 на управляющем входе ключа 17 в блоке 6; 59 - на управляющем входе ключа 18 в блоке 6; 60 - на управляющем входе ключа 17 в блоке 7; 61 на управляющем входе ключа 18 в блоке 7; 62 - на первом выходе датчика 3 и входе интегратора 5; 63 - на выходе интегратора 5; 64 - на выходе блоИзобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения сопротивлений или их отношений, а также физических Величин, преобразуемых в электрические напряжения с помощью датчиков сопротивлений.Целью изобретения является повышение помехоустойчивости, точности.На фиг. показана функциональная хема устройства; на фиг.2 и 3 аре енные диаграммы работы преобразова" еля при питании датчика соответстенно прямоугольным и гармоническим напряжениями; на фиг.4 - примеры выолнения схемы формирователя перемен" ного напряжения; на фиг.5 - времене диаграммы напряжений на входах и Выходах формирователя переменного напряжения,Устройство (фиг,1) содержит блок управления, выполненный на распреде" ,фителе 1 импульсов, формирователь 2 переменного напряжения, датчик 3 сигналов, аналоговый коммутатор 4, второй интегратор 5, блоки 6 и 7 фиксации сигнала, первый интегратор 8, компаратор 9, преобразователь 10 временного интервала в код регистр 11, накопительные элементы 12-14, выпол" ненные на конденсаторах, блоки 6 и 7 одержат входы 15 и 16, ключи 17-20, онденсаторы 21 и 22. Сочетание ключа 7(18) с конденсатором 21(22) образует элементарный блок фиксации сигна"- лаИнтегратор 8 содержит усилитель 3, конденсатор 24, резисторы 25 и 26, повторитель 27 напряжения.Интегратор 5 устроеьн аналогично интегратору 8, но.не содержит повторителя напряжения, преобразователь 1 С содержит элемент И и счетчик импуль " сов. Компаратор 9 имеет на выходе териггер.Формирователь 2 переменного напря " жения питания датчика 3 содержит по фиг,1 трансформатор 28, транзисторы 29, резисторы 30, источник 31 по стоянного напряжения:, инвертор 32. Формирователь 2 по фиг.4 содержит трансформатор 33, ключи, состоящие из диодов 34, транзисторов 35, источ" иск 36 постоянного напряжения, резисторы 37,Датчик 3 по фиг.1 содержит резисторы 38. 5 10 15 20 25 30 35 2Датчик 3 по фиг,4 содержит входные электроды 39, опорные электроды 40, нулевой электрод 41 и выходной электрод 42, Опорные злектроды 40 соединяются через блок 43 согласования (трансформатор или парафазный усилитель) с входом второго фиксатора сигнала, Блок .43 согласования служит, для преобразования парафазного сигнала датчика в однофазный сигнал, а также для предварительного усиления сигнала, Распределителем 1 может служить устройство микропрограммного уп равления, состоящее из генератора тактовых импульсов, счетчика, вход которого соединен с выходом генератора, постоянного запоминающего устройства (ПЗУ), адресный вход которого связан с выходом счетчика и регистра, информационный вход которого связан с выходом ПЗУ, а вход синхронизации - с выходом генератора такто- . вых импульсов. Выход каждого разряда регистра соединен с соответствующим выходом выходной шины распределителя 1. Последовательность сигналов на каждом выводе этой шины определяется программой, хранящейся в ПЗУ.На временных диаграммах фиг.2 обо значены напряжения: 44 - на входе формирователя 2, на управляющих вхо дах ключей 19 и 20 в блоках 6 и 7 и на выходе преобразователя 10; 45- на управляющем входе аналогового ком мутатора 4; 46 - на управляющем входе ключа 17 в блоках 6 и 7; 47 - на управляющем входе ключа 18 в блоках 6 и 7; 48 - на первом выходе датчика 3; 49 - на выходе аналогового коммука 6; 65 - на втором выходе датчика3; 66 - на выходе блока 7; 67 навыходе интегратора 8.На временных диаграммах фиг.4обозначены напряжения: 68 - на выходе трансформатора 33; 69 - 72 - набазах транзисторов 35; 73-76 - на ба/зах транзисторов 35.Устройство (фиг.1) работает следующим образом,Прямоугольные колебания 44 типа"меандр поступают из распределителя1 импульсов на вход формирователя 2.На вторичной обмотке трансформатора28 формируются прямоугольные колебания, не привязанные к нулевому потенциалу. Эти колебания поступают напоследовательно соединенные резисторы 38 датчика 3, общая точка которых заземлена. Напряжение 48 со второго выхода датчика, имеющее вид колебаний, фаза которых совпадает сфазой колебаний 44, поступает на аналоговый коммутатор 4,на управляющийвход которого подаются импульсы 45,отключающие вход интегратора 5 отпервого выхода датчика 3 и подключаю"щие.его через конденсатор 14 к "земле", в моменты фронтов и спадов колебаний 48. Поэтому входное напряжение 49 интегратора 5 интегрируется впромежутках между импульсами 45, аво время действия этих импульсов ре"зультат интегрирования фиксируетсяи запоминается блоком 6, причем наконденсаторе 21 блока 6 запоминаетсяположительный, а на конденсаторе 22 "отрицательный уровни горизонтальных .участков выходного напряжения 50 интегратора 5. Эти уровни передаютсяна конденсаторы 21 и 22 через ключи17 и 18 блока 6 по управляющим импульсам 46 и 47. На управляющие входы.ключей 19 и 20 подаются колебания44, причем на ключ 19 - с инверсией.45Поэтому на выход блока 6 напряжениес конденсаторов 21 и 22 передается вте полупериоды, когда эти конденсаторы отключены ключами 17 и 18 от интегратора 5. Это исключает влияние 50переходных процессов при коммутацииключей 17 и 8 на уровни выходногонапряжения 51 блока 6.Напряжение 52 на втором выходедатчика 3 находится в противофазе с 55напряжением 48. Раздельная фиксацияего.положительного и отрицательногоуровней и их передача на вход интегратора 8 осуществляется блоком 7, работающим с точностью до полярностинапряжений на запоминающих конденсаторах аналогично блоку 6. Прямоуголь"ные колебания 53, формируемые на выходе блока 7, преобразуются интегратором 8 в треугольные колебания 54,которые сравниваются компаратором 9с колебаниями 51. В результате на выкоде компаратора 9 формируются колебания 55, поступающие в преобразователь 10, преобразующий временной интервал, соответствующий сдвигу фазыколебаний 55 относительно опорныхколебаний 44, в цифровой код, которыйзатем передается в регистр 11. Этотфазовый сдвиг однозначно определяелся отношением амплитуд напряжений 51и 54, т.е. отношением напряжений 48и 52, а значит и отношением сопротивлений резисторов 38 датчика 3. Процесс продвижения сигналов в" устройстве показан на фиг.2 сплошными пунктирными стрелками для различных полупериодов выходного сигнала датчика 3. Интегратор 5 вносит дополнительную задержку в полпериода, в ре- зультате чего компаратором 9 сравниваются уровни сигналов 51 и 54, определяемые уровнями сигналов 48 и 52 датчика 3 в разные (соседние) полупериоды: колебания 51 отстают на полпериода от колебаний 54, При медленном (по сравнению с периодом колебаний 44) изменении сопротивлений резисторов 38 или амплитудывыходного напря" жения формирователя 2 это не влияет на результаты измерений. Однако нали чие синфазной помехи на обоих выходах датчика 3 с частотой, равной илиблизкой к частоте опорных колебаний 44, может вызвать ошибку измерения, . так сдвиг в полпериода, вносимый интегратором 5, приводит к тому, что на первый вход компаратора 9 эта помеха приходит в противофазе с помехой на втором его входе, Источником синфазной помехи с частотой, равной частоте колебаний 44, может оказаться, например, наводка на вторичную обмотку трансформатора 28; напряжения с его первичной обмотки через межобмоточные емкости. Для устранения влияния подобных помех достаточно внести задержку в полпериода в сигнал 54 на втором входе компаратора 9 с помощью дополнительногоблока фиксации сигнала, включенногомежду блоками 7 и 8 (не показан).В схеме на фиг.1 на блоки 6 и подаются одинаковые управляющие им пульсы 46 и 47. Можно подавать на5 управляющие входы входных ключей блока 7 импульсы, задержанные относительно импульсов 46 и 47 на любое время в пределах данного полупериода. 10 В частности, вместо того, чтобы следовать сразу за фронтами (как импуль,сы 46) и спадами (как импульсы 47) ,сигнала 44, эти импульсы могут непосредственно предшествовать фронтам и спадам сигнала 44. Однако при на" личин "скола" вершин колебаний 52 , амплитуда колебаний 53 оказывается уменьшенной, что должно быть скомпенсированно соответствующим ослаблени ем колебаний 51 или увеличением ко" лебаний 54, например, за счет соответствующего выбора постоянной времени интегратора 5 или 8.Конденсатор 12 и резистор 26 обес печивают 1003 ную отрицательную обратную связь усилителя 23 по постоянному. току, При достаточно большой емкости конденсатора 12 обратная связь по переменному току через резистор 26 практически отсутствует и линейность наклонных участков напряжения 54 не ухудшается. Повторитель 27 напряжения позволяет практически исключить разряд запоминающих конденсаторов блока 7 через входную цепь ин 35 тегратора 8.В случае питания датчика гармони ческим напряжением прямоугольные колебания 56 (фиг.З) должны быть преобразованы формирова гелем переменно го напряжения в гармонические колебания, Это может быть сделано с по". мощью последовательного соединения узкополосного Фильтра, настроенного на основную частоту колебаний 56, и линейного усилителя или с помощью схемы, содержащей трансформатор ЗЗ, и электронные ключи, состоящие из диодов 34 и транзисторов 35 управУ50 ляемых выходными сигналами 69-76 (фиг.4) распределителя импульсов. В последнем случае напряжение питания датчика имеет вид ступенчато-гармонических колебаний 68. При необходимости ступеньки могут быть сглажены дополнительным фильтром низкой часто-" ты, включенным между трансформатором 33 и входными электродами 39 датчика(фиг.4). Датчик (фиг.4) представляет собой электроды 39-42, погруженные в электролит или, например, морскую воду. С помощью этого датчика может быть измерено перемещение электрода 42 относительно нулевого положения, определяемого местоположением заземленного электрода 41, в границах, задаваемых местоположениями электродов 40. Электрод 42 играет роль первого, а электроды 40 - второго выхода датчикаЭлектрод 42 через конденсатор 13 подключен к входу интегратора 5 (на фиг.1 аналоговый коммутатор 4 в этом случае не обязателен). Электроды 40 через блок 43 согласования (трансформатор или парафазный усилитель) подключены к блоку 7. При этом гармонические колебания 62 (фиг.З) на входе интегратора 5 (фиг.1) и колебания 65 на входе блока 7 находятся в противофазе или в фазе, в зависимости от полярности включения трансформатора или парафазного усилителя блока 43. На пряжение 63 на выходе интегратора 5 имеет форму гармонических колебаний, смещенных на четвертьпериода относи тельно колебаний 62. Блоки 6 и 7 преобразуют колебания 63 и 65 в прямоугольные колебания 64 и 66 с теми же амплитудами. Поскольку колебания 63 и 65 смещены относительно друг друга на четверть периода, импульсы 58 и60, а также 59 и 61, управляющие запоминанием амплитуд колебаний 63 и 65 .в блоках б и 7, должны быть попар" но сдвинуты относительно друг друга на четверть периода. Колебания 57, управляющие передачей амплитуд сигналов 63 и 65 на выходы блоков 6 и 7 и одновременно поступающие на .вход преобразователя 10, сдвинуты на четверть периода относительно колебаний 56, В остальном работа устройствааналогична ранее рассмотренной (при питании датчика прямоугольными колебаниями), т.е. сигналы 64, 66 и 67 (Фиг.З) аналогичны соответственно сигналам. 51, 53 и 54 (фиг.2). Выходной код устройства отражает отноше ние величины смещения электрода 42относительно электрода 41 (с учетом направления) к расстоянию между элек тродами 40. Таким образом, нри изменении расстояния между электродами 40 изменяется масштаб, в которомизмеряется смещение электрода 42, 1388987Для измерения малых величин может потребоваться усиление сигнала,для чего на первом выходе датчика 3 и на выходе фиксатора 6 могут быть вклю 5 чены соответственно дополнительные усилители (не показаны).Отсутствие сквозного тракта про" хождения сигнала позволяет получить большое усиление без опасности возникновения паразитной обратной связи между входом и выходом тракта. Это вместе с фильтрующим действием интег- ратора 5 и блока 6 повъппает помехоус" тойчивость, а значит, и чувствительность устройства.Отсутствие искажений формы колебаний на .входах интегратора 8 и компа" ратора 9 при любой форме колебаний на выходах датчика благодаря примеиению блоков 6 и 7 повъппает точность устройства. Выполнение блоков 6, 7 в виде двух параллельных цепей с раздельной фиксацией уровней положитель" ной и отрицательной полуволн сигнала обеспечивает дополнительное увеличение точности. формула и з о б р е т е н и я301. Аналого-цифровой преобразова тель, содержащий датчик сигналов, первый накопительный элемент, выпол ненный на конденсаторе, первый интегратор, выход которого соединен с первым входом компаратора, выход кото рого соединен с информационным входом преобразователя временного интервала в код, выходы которого соединены с соответствующими информационными вхо" 40 дами регистра, вход управления кото " рого соединен с первым выходом блока управления, выполненного на распреде" лителе импульсов, а выходы регистра яВляются Выходнь ми шинамио т л и 45 ч а ю щ и й с я тем, что, с целью повъпиения помехоустойчивости, точнос" ти, введены формирователь переменно-. го напряжения,1 второй и третий накопительные элементы, выполненные на конденсаторах, второй интегратор, аналоговый коммутатор, первый и второй блоки фиксации сигнала, выход первого блока фиксации сигнала через первъъй конденсатор соединен с входом первого интегратора, информационный вход первого блока фиксации сигнала соединен с первым выходом датчика сигнала, первые управляющие входы первого и второго блоков фиксации сигнала и преобразователя временного интервала в код объединены и соединены с вторъщ выходом распределителя импульсов, второй и третий входы уп равления первого блока фиксации сигнала соединены соответственно с третьим и четвертым выходами распредели теля импульсов, пятый выход которого через формирователь переменного напряжения соединен с первым и вторым входами датчика сигнала, шестой выход соединен с первым и вторым управляющими входами аналогового комму татора, седьмой выход соединен с вто рым управляющим входом второго блока фиксации сигнала, восьмой выход соединен с управляющим входом компаратора и вторым управляющим входом преобразователя временного интервала в код, третий управляющий вход которого соединен с девятым выходом распределителя импульсов, причем второй выход датчика сигнала через второй конденсатор соединен с первым информационным входом аналогового комму татора, второй информационный вход которого через третий конденсатор, соединен с общей шиной, а первый и второй выходы объединены и через вто" рой интегратор соединены с информационным входом второго блока фиксации сигнала, выход которого соединен с вторым входом компаратора, третий управляющий вход второго блока фикса" ции сигнала соединен с десятым выходом распределителя импульсов.2. Преобразователь по п.1, о тл и ч а ю щ и й с я тем, что первый интегратор выполнен на усилителе, повторителе напряжения, трех резисто" рах, конденсаторе, первая обкладка которого объединена с первым выводом первого резистора, въкодом усилителя и является выходом интегратора, вто рая обкладка конденсатора объединена с первым выводом второго резистора и инверсным входом усилителя, прямой вход которого через третий резистор соединен с общей шиной, второй вывод второго резистора соединен с выходом повторителя напряжения, вход которого объединен с вторым выводом первого резистора и является входом интегратора.3. Преобразователь по п.1, о тл и ч а ю щ и й с я тем, что блок фиксации сигнала выполнен на четырехключах и двух конденсаторах первые обкладки которых объединены и являют" ся общей шиной, вторая обкладка первого конденсатора объединена с выхо 5 дом первого ключа и соединена с информационным входом второго ключа, вторая обкладка второго конденсатора объединена с выходом третьего клю ча и соединена с информационным вхо 10 дом четвертого ключа, выходы второго и четвертого ключей объединены и являются выходом блока, управляющие входы второго и четвертого ключей объединены и являются первым управляощим входом блока, информационные входы первого и третьего ключей объединены и являются информационвходом блока, управляющие входы пе вого и третьего ключей являются 20 со тветственно вторым и третьим упр ляющими входами блока., 4. Преобразователь по п.1, о тл и ч а ю щ и й с я тем, что, с цельо снижения рассеиваемой мощности, формирователь переменного напряжения выполнен на трансформаторе, двух резисторах, источнике постоянного напряжения, двух транзисторах, инверторе, вход которого соединен с первым выводом первого резистора и является входом формирователя переменного напряжения, второй вывод первого резистора соединен с базой первого транзистора, змиттеры первого ивторого транзисторов и клемма отри"цательной полярности источника постоянного напряжения объединены иявляются общей шиной, а коллекторысоединены соответственно с первым ивторым выводами первичной обмоткитрансформатора, средний вывод которой соединен с клеммой положительнойполярности источника постоянного напряжения, выход инвертора через второй резистор соединен с базой второго транзистора, первый и второй выводы вторичнойобмотки трансформатора являются соответственно первым ивторым выходами формирователя переменного напряжения.одписн Тир Заказ 158 го комитета СССй и открытийушская наб.,д. 4/5 ква и ес о-полигр оизводст ВНИ п 113035Государственелам изобрете Корректор М.Демч Ужгород, ул. Про