Аналого-цифровой преобразователь

(51)5 Н 0 Я В о-исследовательскикии Э, С. Подлесны А. Интегрирующиеостоянного тока. Л.:ство СССР 1/60, 1988. ение относитсяастности к преов цифровой кодпреобразованиемспользовано в устй информации рвами вычислител к импульснои бразователям - АЦП с пров частоту, и ройствах сбозличных сисьной техники. а а ы ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТНРЫТИЯМПРИ ГКНТ СССР ОПИСАНИЕ ИЗО АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬС(71) Всесоюзный научинститут электромехан(57) Изобреттехнике, в чнапряжениямежуточнымможет быть ира аналоговотем со средст ГО-ЦИФРОВОЙ ПРЕОБРАИзобретение относится к импульсной технике, в частности к преобразователям напряжения в цифровой код с промежуточным преобразованием в частоту импульсов.Цель изобретения - повышение точности преобразования.На фиг. 1 изображена.н фиг. 2 - схема генеран фиг. 3 - временная д р р т АЦП.АЦП содержит входные шины 1 и 2 для преобразуемого У, и опорного У 0 напряжений, шину 3 для пуска АЦП в работу, выходную шину 4 готовности результата преобразования, шины 5 и 6 старших и младших разрядов результата преобразования, переключатель 7, преобразователь 8 напряжения в Недостатком известного и близкого по технической сущности и решаемой задаче АЦП является наличие ряда дополнительных погрешностей от квантования величин в процессе выполнения коррекции результата преобразования, Целью изобретения является повышение точности преобразования за счет исключения и уменьшения этих погрешностей. АЦП содержит преобразователь напряжения в частоту импульсов, переключатель, три счетчика, регистр, распределитель импульсов, три триггера, четыре одновибратора, два формирователя импульсов, логические элементы И и ИЛИ. Новым являетсяя введение дополнительно го счетчика, умножителя числа импульсов, одновибратора, элементов И и ИЛИ, а также изменение некоторых взаимосвязей элементов прототипа, благодаря которым в АЦП часть погрешностей исключается, а часть уменьшается, как и его квант, что повышает точность преобразования. 1 з, п. ф-лы, 3 иЛ. частоту импульсов (ПНЧ), с вертый счетчики 9 - 12, с пе триггеры 13 - 15, с первого по раторы 16 - 20, регистр 21, ра импульсов, первый 23 и второ" тели импульсов, генератор 25 ножитель 26 числа импульсо пятый элементы И 27 - 31, тов И 32, с шестого по д ты И ЗЗ - 37 и с первого по менты ИЛИ 38 - 41,первого по четрвого по третий пятый одновибспределитель 22 и 24 формироваимпульсов, умв, с первого по группу элеменесятый элеменчетвертый элеГенератор 25 содержит одновибратор 42 с первого по четвертый формирователи 43 - 46 импульсов (стабильной длительности) первый 47 и второй 48 элементы И и эле мент ИЛИ 49.импульс которого через время 1/ проходит через элемент ИЛИ 49 на выход генератора 25 и запускает формирователь 43. Длительность импульса одновибратора 42 выбирается в диапазоне от 1/ до 1,5/, а длительности импульсов формирователей 43 - 46 имеют стабильную величину 0,5/, поэтому к моменту появления импульса формирователя 43 в элементе И 47 разрешена работа сигналом одновибратора 42 и он запускает формирователь 44, импульс которого проходит через элементы И 48 и ИЛИ 49 на выход генератора 25 и вновь запускает формирователь 43. На выходе генератора 25, начиная с первого импульса, формируются сигналы с частотой повторения .Каждый из этих импульсов поступает на вход умножителя 26, на выходе которого за время 1/ формируется ро импульсов. Схема умножителя 26 может быть выполнена, например, на основе входного формирователя короткого импульса, работающего на линию задержки с отводами. Эта линия задержки может быть выполнена в виде отдельных секций с промежуточными формирователями и в ней должно быть ро элементов с тад=1/ро. Выходы всех элементов объединяются элементом ИЛИ на входе формирователя выходных импульсов умножителя 26.Импульсы умножителя 26 проходят через элемент И 36 и подсчитываются счетчиком 12, имеющим емкость ро, поэтому с окончанием очередного временного интервала 1/ в нем устанавливается код О, а в момент окончания 1 о - код р=1/таад, где 1 р - интервал времени от последнего импульса умножителя до окончания 1 о. Код р не изменяется до его записи в регистр 21, так как с окончанием 1 о импульс Ро запускает одновибратор 20, у которого сигнал на выходе 0 снимается, и это запрещает прохождение импульсов умножителя 26 через элемент И 36 на вход счетчика 12.В регистре 21 код и записывается в старшие разряды, а код р - в младшие, поэтому формируемый в нем код поправочного коэффициента и имеет значение и= =про+р, так как емкость его младших разрядов, как и емкость счетчика 12, равна ро, Величину и можно определить из уравнения преобразования периода 1 о в код с помощью временных квантов 1/ и тзад --1 ро = 1 /Ро/1: о=(,п+по) в +р в -, откуда - =роГ И/о1 ро= (и+по) ро+р и п=про+р= - - - поро,пчоЗначение поправки т 1 формируется в старших разрядах с емкостью то счетчика 11 и в счетчике 9. Эти счетчики устанавливаются в 0 с каждым импульсом Ро, проходящим через элемент И 35, и в них импульсы с выхода элемента И 37 при формировании т 1 включают режим вычитания, так как ошибка 6, известного АЦП имеет положительный знак и при выполнении коррекции результат преобразования необходимо уменьшить на т 1.Величина т 1 получается в результате5 преобразования интервала времени 1 о оточередного импульса 50 до начала преобразования по импульсу 51 пуска с помощьючастоты импульсов, снимаемых с последнего из младших разрядов счетчика 10.Использование для этого частотынецелесообразно, так как в качестве временногокванта при измерении 1 можно использоватьзначительно больший квант, чем 1/", равный=по/Ио, откуда= - . Импульсыт 1 о9 попроходят через элемент И 3 на счетныйвход первого из старших разрядов счетчика 11, в которых за 1 получен код (то - т),а в счетчике 9 - код (Мо - 1) при условии,что т 1(то.В АЦП приняты меры по исключениюзаписи недостоверных кодов в регистр 21,возникающих от наличия переходных процессов при подсчете импульсов счетчиками О и 12. Эти моменты могут возникатьпри совпадении импульсов Ро с импульса 25 миили с импульсом 51 пуска. Момент совпадения импульсов Ро ификсируется элементом И 30, который запускает одновибратор 18. Его выходной импульс объединяется с импульсом го в элементе ИЛИ 40 и сдвигает запуск формирователя 23 на время окончания переходных процессов в счетчике 10.Работа счетчика 12 прекращается по импульсу го, как было показано, и за времяимпульса формирователя 23 переходные процессы в нем заканчиваются,Запись недостоверного кода п можетпроизойти при совпадении импульса Ро смоментом пуска АЦП. Для исключения этого в АЦП установка кода 0 в счетчике 10 осуществляется при помощи элемента И 31 и одновибратора 9, запускаемого40 сигналом одновибратора 16, который в своюочередь запускается импульсом 5. Сигналодновибратора 16, а затем сигнал 53 с выхода 1 триггера 15 запрещают работу элемента ИЛИ 40. Поэтому в случае запускак этому моменту формирователей 23 и 2445 происходит сначала запись в регистр 21 нового значения и и только после этого на выходе элемента Й 31 появляется импульс установки 0 счетчиков 1 О и 12, задержанный на время длительности импульса одновибратора 19.Преобразования в АЦП начинаются поимпульсу 51, который запускает одновибратор 16, а его импульс, кроме описаннойустановки О в счетчиках 10 и 12, устанавливает в 1 триггеры 13 и 15. Сигнал55 52 первого из них с помощью переключателя 7 подключает к ПНЧ 8 преобразуемоенапряжение Уа сигнал 53 второго из нихзапрещает работу элемента ИЛИ 40 и разрешает прохождение импульсов Р,=АУс1654976 10 7выхода ПНЧ 8 через элемент И 27 на вход распределителя 22 и через элемент ИЛИ 38 на счетный вход счетчика 9. В распределителе 22 с каждым импульсом Р, на выходах последовательно со сдвигам во времени появляются импульсы, которые проходят только через те элементы И 32, у которых на выходах от разрядов регистра 21 присугствуют сигналы 1. Поэтому в счетчике 11 выполняется поразрядное суммирование поправочного коэффициента и с находящимся в его старших разрядах кодом (т 1 ю - т 1) и его код увеличивается на и с каждым импульсом Р,Емкость счетчика 11 по сравнению с известным увеличена в р раз и равна пюрю, поэтому значение кода т 11 в его старших разпюРю рядах соответствует величине т 11 дляЧю счетчика 11 со всеми разрядами. После прохождения первого импульса г"в нем будет код п 1 с величиной дюРюд= (дюРю - Ч +др)ЧюПри увеличении этого кода с появлением импульсов гдо величины лоро происходит переполнение счетчика 11 и его выходной импульс через элемент ИЛИ 38 увеличивает код счетчика 9 на единицу.Время преобразования Тю, как и в известном АЦП, равно пюйю 1/ и формируется с помощью счетчика 10 и импульсовгенератора 25, Импульс 55 переполнения счетчика устанавливает в О триггер 13, его сигнал 52 снимается, от ПНЧ 8 отключается Ои подключается Ую, измерение У в течение Тю закончено.Если, импульс 55 совпал с импульсом Р, то преобразование заканчивается по импульсу с выхода элемента И 34, который проходит через элемент ИЛИ 41 и устанавливает в О триггер 15 и в 1 триггер 14, формируя сигнал 54. По снятию сигнала 53 первого из них запускается одновибратор 17, который сигналом с выхода О запрещает прохождение сигнала 54 через элемент И 28 на время выполнения последней коррекции на и в счетчиках 11 и 9. По завершении этого с выхода элемента И 28 на шине 4 появляется сигнал готовности результата преобразования.Если" совпадение импульсов 55 и г не происходит, то выполняется формирование величины поправки т 2, используемой для дополнительной коррекции результата преобразования с целью уменьшения погрешности 6 известного АЦП. Значение т получается за время 1 от окончания Тю до первого импульса гю, и выполняется это аналогично получению поправки т 1. Поправка г также вычитается из кода старших разрядов счетчика 11, а в случае необходимости заема единицы с выхода старшего разряда она вычитается из кода счетчика 9. 8Первый импульс Рю после Тю является М импульсом с выхода ПНЧ 8 после начала преобразования, он как и все импульсы Р суммируется в счетчике 9, образуя в нем код Л/=(Ую - 1+%), он же запускает распределитель 22 для выполнения последней коррекции кода в счетчике 11 на величину пр, Й счетчике 11 после этого будет полу.- чен код па= пюРО - (Я 1+Я 2) + Нпр .Рюпю,ЧюЭтот же импульс проходит через элементИ 33, работа которого разрешена со снятием сигнала 52 на элемент ИЛИ 41 и далее, на триггеры 14 и 15, формируя, как показано, сигнал 54 об окончании преобразования и готовности результата преобразования, код которого находится в счетчиках 9 и 11.Длительность сигнала 54 равна 1 ю, так каквторой импульс Рю после Тю проходит через 20 элемент И 29 и устанавливает в О триггер 14, Благодаря тому, что при снятии сигнала 53 через элемент ИЛИ 40 запускаются формирователи 23 и 24, счетчики 10 и 12 устанавливаются в О и в течение сигнала 54 в них будут сформированы новые значе ния и . Это означает, что сразу после сигнала 54 можно начинать новые преобразования, о чем информирует снятие сигнала на шине 4.Результат преобразования Хр сформирован в счетчиках 9 и 11, которые объединены в общий счетчик, поэтому при условии, что в нем вес младшего разряда счетчика 9 равен единице, величина Хр равна Х,=Я,+ппюрю, а с учетом значений Ф, д и пр35 ЧУ+12пюИю яюВ этой величине Фю представляет собой единицу переполнения счетчика 9, и она в АЦП не используется, так как40Ююпю пюНа выходные шины 5 и 6 АЦП передается код Х, состоящий из старших разрядов (шины 5), снимаемых с выходов разрядов 45 счетчика 9, и из младших разрядов (шины 6), снимаемых со старших разрядов счетчика 11. В коде Х младший разряд шины 6 имеет вес единицы, тогда младший разряд шины 5 и соответственно младший разряд счетчика 9 имеют вес тю, поэтому результат преобразования равенХ=У -- - - (т +т 12)ЧюЙУюдюДля определения соотношения между Х 55 и преобразуемым напряжением Унеобходимо в этом выражении подставить величину У, получаемую в результате преобразования Ую и Ус помощью ПНЧ 8. В процессе преобразования учитывается время ра9боты П НЧ 8; Т=1+Тю+Ьг, за котороесформировано 1 Ч импульсов в результатеинтегрирования Ую в течение (1+1 г) и 0в течение ТюИ=И Ую ( + г) + УТю 1Подставляя в это выражение значениеЧ Чг ЧюТю= дюж ю - ) 1 - , г= - и= - , полуГ 1, 1,дючаемМ=й(Цю --дю+У )Ч +Чг дюЛюГЧю РС учетом полученного значения Ф величина Х равнаХ: - " М,ю=и ЛЧ,Уюгде Ь Ую/ЛюЧю - квант АЦП, который посравнению с квантом Лизвестного АЦП уменьшен в Чю раз.Для количественной оценки повышенияточности в предлагаемом АЦП по сравнению с известным необходимо учесть погрешности при выполнении коррекций его погрешностей 6, 6 г, 6 з и 64. Как и в известном АЦПошибки возникают от квантования измеряемых величин. При получении Ч в результатепреобразования 1 благодаря запуску генератора 25 и установки в О счетчиков 10 и 12по импульсам гю максимальная ошибка 6имеет величину 1 с весом, младшего разряда Х. Такая же ошибка 6 г и в Чг при преобразовании 1 г, так как с окончанием Тюв счетчиках0 и 12 устанавливается код О,При преобразовании Ью в поправочном коэффициенте д, также как и в д имеем погрешность 6=1, но с весом младшего разряда счетчика 11. Ошибки известного АЦП 6 зи 1 отсутствуют, так как генератор 25 запускается импульсом РюПогрешности 6 и 6 г при выполнении коррекции непосредственно входят в результатпреобразования Х, а погрешность 64 приводит к наибольшей погрешности 64 при преобразовании /=Ую и входит в Х с коэффифоЧюциентом -- , т, е.дюРюЛ юЧю4 ЮдРю Поэтому наибольшая ошибка в Х послевыполнения коррекции равнаЛ юЧю6=6 +6 г+64= - (2+ - ),доРоЕсли принять условие известного АЦПНю=дю, при котором общая погрешностьравна 6=+2, то 6 к= -. При этом2 рю+ЧюРюв 6 единица соответствует весу младшегоразряда счетчика 9, а в 6 к - весу младшего разряда кода Х, откуда точность преобразования повышена в а раз, где6 лЧю 2 рю т 1 юа= -= --- -.6 А 2 рю+ЧюОценку а можно получить на примерепостроения АЦП. с сохранением следующих параметров известного АЦП: Л/ю=дю=2 (десять двоичных разрядов), максимальное значение д=2, откуда Чю=2. Приняв 10 рю=2, что ссютветствует увеличению на триразряда счетчика 11, регистра 21, распределителя 22, а также трехразрядному счетчику 12 и умножителю 26 с коэффициентом восемь, получаем15 2. 2 ь. 2 з 2 ю2 2+2 2 3Поэтому точность увеличена более, чемв 10 раз. При этом счетчик 12, элементы 20, 26 и 36 должны работать с короткими вре менными тактами (т.д) и их необходимовыполнять на быстродействующих интегральных схемах, например на схемах эмиттерно-связанной логики серий 100 или 500.Все это показывает, что при реализациипредложенной схемы АЦП устранены недос татки известного АЦП и повышена точностьпреобразования. Форму ла изобретения1, Аналого-цифровой преобразователь, ЗО содержащий переключатель, преобразователь напряжения в частоту импульсов, с первого по третий счетчики, регистр, с первого по третий триггеры, генератор и распределитель импульсов, с первого по четвертый одновибраторы, первый и второй формирова тели импульсов, с первого по пятый элементы И, группу элементов И, с первого по третий элементы ИЛИ, выход первого из которых подключен к счетному входу первого счетчика, первый вход - к выходу пере полнения третьего счетчика, а второй входобъединен с входом распределителя импульсов и подключен к выходу первого элемента И, первый вход которого объединен с первыми входами третьего и четвертого элементов И, третьего элемента ИЛИ и соединен 45 с выходом преобразователя напряжения вчастоту импульсов, вход которого подключен к выходу переключателя, первый и второй информационные входы которого являются шинами преобразуемого и опорного напряжений, а управляющий вход соединен с первым 50 выходом первого триггера, первый вход которого подключен к выходу первого одновибратора и объединен с вторым входом третьего элемента ИЛИ, с первым входом третьего триггера, с первым входом пятого элемента И и с входом четвертого одновибра тора, выход которого соединен с вторымвходом пятого элемента И, выход которого подключен к первому входу второго элемента ИЛИ, выход которого соединен с входом1654976 12 5 10 15 20 25 30 3540 11установки нуля второго счетчика, а второй вход - с выходом второго формирователя импульсов, вход которого объединен с входом записи регистра и через первый формирователь импульсов подключен к выходу третьего элемента ИЛИ, третий вход которого через третий одновибратор соединен с выходом четвертого элемента И, второй вход которого подключен к выходу генератора импульсов и объединен со счетным входом второго счетчика, выход переполнения которого соединен с вторым входом первого триггера, а выходы младших разрядов - с соответствующими входами старших разрядов регистра, выходы которых подключены к соответствующим первым входам соответствующих элементов И группы, вторые входы которых соединены с соответствующими выходами распределителя импульсов, а выходы - со счетными входами соответствующих младших разрядов третьего счетчика, вход установки нуля которого объединен с , одноименным входом первого счетчика, выхо ды разрядов которого являются шиной стар, ших разрядов результата преобразования, первый выход второго триггера подключен к первому входу второго элемента И, второй вход которого соединен с выходом второго одновибратора, а выход является шиной готовности результата преобразования, вход первого одновибратора является шиной пуска, отличающийся тем, что, с целью повышения точности преобразования, в него введены четвертый счетчик, умножитель числа импульсов, пятый одновибратор, с шестого по десятый элементы И и четвертый элемент ИЛИ, выход которого соединен с первым входом второго триггера и с вторым входом третьего триггера, первый и второй входы - с выходами соответственно шестого и седьмого элементов И, первые входыкоторых объединены с первыми входами первого и восьмого элементов И и через пятый одновибратор подключены к первому входу девятого элемента И, второй вход которого через умножитель числа импульсов подключен к выходу генератора импульсов, а выход - к счетному входу четвертого счетчика, вход установки нуля которого соединен с одноименным входом второго счетчика, а выходы разрядов - с соответствующими входами младших разрядов регистра, первый выход третьего триггера соединен с входом второго одновибратора, четвертым входом третьего элемента ИЛИ, вторыми входами первого и шестого элементов И, третий вход последнего подключен к второму выходу первого триггера и к первому входу десятого элемента И, второй вход которого объединен с вторым входом восьмого элемента И и подключен к второму выходу второго триггера, третий вход объединен с входом последнего из старших разрядов регистра, а выход соединен со счетным входом первого из старших разрядов третьего счетчика, выходы старших разрядов которого являются шиной младших разрядов результата преобразования, и с входом управления вычитанием третьего счетчика, объединенным с одноименным входом первого счетчика, вход установки нуля которого соединен с выходом восьмого элемента И, третий вход которого подключен к второму выходу третьего триггера и объединен с вторым входом третьего элемента И, выход которого соединен с входом запуска генератора импульсов и с вторым входом второго триггера, а второй вход седьмого элемента И соединен с выходом переполнения второго счетчика. 2. Преобразователь по п. 1, отличающийся тем, что генератор импульсов выполнен на одновибраторе, с первого по четвертый формирователях импульсов, первом и втором элементах И и элементе ИЛИ, выход которого является выходом генератора импульсов и соединен через первый формирователь импульсов с первым входом первого элемента И, второй вход которого подключен к выходу одновибратора и объединен с первым входом второго элемента И, а выход через второй формирователь. импульсов подключен к второму входу второго элемента И, выход которого соединен с первым входом элемента ИЛИ, второй вход которого подключен через последовательно соединенные третий и четвертый формирователи импульсов к входу одновибратора, который является входом запуска генератора импульсов.1654976 УХ ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ ССС 1 3035, Москва, Ж - 35, Раушская наб., д, 4/5 Производственно-издательский комбинат Патент, г. Ужгород, ул, Гагарина, 101