Частотный аналого-цифровой преобразователь

СОЮЗ СОВЕТСКИХСОЦИАЛИСТИЧЕСКИХРЕСПУБЛИК 1)5 Н КОМИТЕТИ ОТКРЫТИЯ ГОСУДАРСТВЕННЫПО ИЗОБРЕТЕНИЯМПРИ ГКНТ СССР 1(54) ЧАСТОТНЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕ (57) Изобретение технике и,.в частно напряжения в циф ным преобразован и может быть исп сбора аналоговой рованных систем выполняемых на ср ГО-ЦИ АНАЛОЛЬотноситсти к ировой кием в чальзованформконтроледствах И ся к им реобраэ од с про стоту им но в.уст ации авт я и упр вычисл ульснои вателям межуточпульсов, ройствах оматизиавления, тельной 6 я к импульснои еобразователям д с промежуточстоту,вышение точности,На фиг. 1АЦП и его бловременная диаУстройствошину пуска 2 и4 готовности репреобразоватеимпульсов (ПН и 2 приведены бло ка управления; на ф грамма их работы, содержит входную шину 3 синхронизаци зультата и выходную ль 6 напряжения в Ч) с входным реэист(56) Авторское свидетельство СССРМ 486473, кл, Н 03 М 1/60, 1972.Авторское свидетельство СССРИ. 1205307, кл, Н 03 М 1/50. 1984,Изобретение относит технике, в частности к и напряжения в цифровой к ным преобразованием в ча Цель изобретения - и1702528 А техники. Недостатком известного и близкого по технической сущности аналого-цифрового преобразователя АЦП является то, что на результат преобразования оказывают влияние остаточные параметры смещения преобразователя напряжения в частоту импульсов, вызывающие дополнительные погрешности, Целью изобретения является повышение точности АЦП эа счет исключения этих погрешностей, АЦП содержит источник опорного напряжения, преобразователь напряжения в частоту импульсов, переключатели, источник тока смещения. два реверсивных счетчика,. элементы И и ИЛИ, блок управления. Новым является введение делителя напряжения, управляемого источника тока, аналогового запоминающего элемента, регистра, одновибратора и формирователя импульсов. благодаря которым в АЦП исключаются погрешности прототипа и тем самым повышается его точность работы. 1 з.п, ф-лы. 3 ил.(токоограничивающий элемент) на суммирующем входе, с первого по третий переключатели 8 - 10, у которых при наличии сигнала на управляющем входе первый вход соединен с выходом, а при его отсутствии к выходу подключен второй вход, источник 11 опорного напряжения, источник 12 тока смещения, который включается при наличии сигнала на управляющем входе, управляемый источник 13 тока, величина которого зависит от величины напряжения на первом входе и включение его происходит при наличии сигнала на втором входе, выпрямитель-интегратор14, выходное напряжение которого увеличивается при подаче на вход импульсов и остается почти постоянным при их отсутствии, изменяясь с малой скоростью уменьшения, делитель 15 напряжения, первый и второй реверсивные счетчики 1 б и 17, имеющие входы для установки нулевых кодов и уп равления режимом вычитания, а последний также вход записи кода, регистр 18, с первого по четвертый элементы И 19-22, с первого по третий элементы ИЛИ 23-25, формирователь 26 импульсов, одновибратор 27 и блок 28 управленияБлок 28 управления содержит счетчик 29, триггер 30, дешифратор 31, генератор 32 импульсов, элемент 33 задержки, с первого по четвертый формирователи 34 - 37 импульсов, с первого по третий элементы И 38 - 40 и с первого по седьмой элементы ИЛИ 41 - 47.На временной диаграмме обозначено: 48 - импульсы синхронизации формирователя 34; 49 - сигнал элемента 33; 50 - импульсы пуска преобразователя: 51-58 - сигналы с первого по восьмой выхода дешифратора 31; 59 - импульсы преобразователя 6; 60 - импульсы записи кода в регистр 18; 61 - сигнал с выхода элемента И 20; 62 - импульсы записи кода в счетчик 17; 63 - сигнал готовности результата с нулевого выхода триггера 30,Устройство работает следующим образом,После включения источников питания и окончания переходного п 1 роцесса на шинах питания сигнал 49 элемента 33 отрицательным перепадом установит в "0" через элементы ИЛИ 43 триггер 30 и через ИЛИ 42 счетчик 29. На первом выходе дешифратора 31 появляется сигнал 51, который проходит через элемент ИЛИ 46 и с помощью переключателей 10 и 8 подает на резистор 7 напряжение с делителя 15, равное половине опорного напряжения 1 о. На управляющем входе переключателя 9 сигнал отсутствует, поэтому на вычитающем входе ПНЧ 6 напряжение равно нулевому потенциалу общей шины, и в суммирующий вход преобразователя 6 втекает ток 1 о 1. Сигнал 63 с 0 выхода триггера 30 разрешает работу элемента И 40 и включает источник 13 с выходным втекающим током 1 у. Поэтому величина 101 с учетом остаточных параметров Оос, 1 ос ПНЧ 6 будет равна:Оо Оос1 о 1 = - + - +1 ос 1 у2 В ВЭтот ток преобразуется в частоту Ео 1=-К 1 о 1. Первый импульс Ео 1 проходит через элемент И 40 и ИЛИ 41 нэ счетчик 29, устэнэвливая в нем код "1", По нему на выходе дешифратора 31 с учетом "0" триггера 30 формируется сигнал 52, который включает через элемент ИЛИ 44 генератор 32 с частотой т повторения импульсов 1=1 чоо и оставляет подключенным к ПНЧб напряжение1делителя - Оо2Отрицательный перепад сигнала 51 че 10 рез элемент ИЛИ 24 устанавливает "0" всчетчике 17. Поэтому за время действия сигнала 52, начиная с "0" кода, в нем подсчитываются импульсы Ф, Длительность сигнала52 равна интервалу времени между первым15 и вторым импульсами 59, т.е. равна периодучастоты Ео 1 так как второй импульс 59 изменяет в счетчике 29 код "1" на "2" и снимаетсигнал 52 и выключает генератор 32.За это время в счетчике 17 будет сфор 20 мирован код ло 1=1/Ео 1, который записывается в регистр 18 импульсом 60,сформированный по отрицательному переладу сигнала 52 Формирователем 26 и проходящим через элемент И 21, работа25 которого разрешена сигналом с "0" выходаодновибратора 27, Со снятием сигнала 52 отПНЧ 6 отключаетсянапряжение делителя 15и подключается напряжение источника 11.На выходе ПНЧ 6 формируется частота30 Оо ОосЕо=Но, где 1 о = - + + 1 - 1 у.В ВС приходом первого импульса Ео 59 код"2" счетчика 29 сменяется на код "3" и сучетом "О" триггера 30 на выходе дешифра 35 тора появляется сигнал 53, а со следующимимпульсом 59 - код "4" и сигнал 54, Сигналы53 и 54, объединяясь в элементе ИЛИ 47,включают (через ИЛИ 44) генератор 32, разрешают работу элемента И 22 и включают40 (через ИЛИ 25) режим вычитания в счетчике17, В последнем за время действия этихимпульсов, равное двум периодам Ео, происходит уменьшение кода ло 1 импульсами 1до "0"кода, при возникновении которого на45 выходе элемента И 20 формируется сигнал61, Он проходит через элемент И 22 на выпрямитель-интегратор 14 и увеличиваетего выходное напряжение, которое в источнике тока 13 увеличивает ток 1 у, Послед 50 Оосний компенсирует влияние В + 1 нэформирование Ео 1 Ео,Со снятием сигнала 54 формирователь35 своим импульсом устанавливает в "0"55 счетчик 29. Процесс формирования Ео 1 Еозаписи нового значения ло 1 и увеличение1 у повторяется При неравенстве токов ( - +1 ос) и 1 у частота Ео 1 буОзсВ( и в конце сигнала 54 будет возникать сигнал61, выполняющий компенсацию, котораяПРИХОДИТ К РаВЕНСтВУ 2 РО 1= 1-о ПРИОос1 у = - + 1 осВВ результате этого ПНЧ 6 преобразуетопорные напряжения с исключенными паОораметрами смещения и Ео 1.= К . По 2 йэтому записанный в регистр код равен2 Япо 1 = 1/Го 1 = - Постоянная времениКОспада в выпрямителе-интеграторе 14 значительно больше времени его увеличения отвходного импульса. Поэтому при достижении компенсации токов величина 1 у поддерживается в следующих тактах компенсациипрактически постоянной, как и перезаписываемые коды по 1.Преобразование в АЦП начинается поимпульсу 50, по положительному перепадукоторого запускается одновибратор 27 сдлительностью выходного импульса, большей импульса 50. До его запуска сигнал с"О" выхода одновибратора 21 разрешал работу элементов И 21, 38, 39 и 40 при выполнении тактов компенсации, С запускомодновибратора 27 эти элементы И закрываются и тем самым исключается возможность записи неправильного кода по 1 из-занесинхронного прихода импульса 50 относительно тактов компенсации, а также запрещается работа счетчика 29 приустановки в нем "0" кода по импульсу 50.Отрицательный перепад этого импульса устанавливает в "1" триггер 30, и в "0" счетчики29 и 16, а сигнал с "1" выхода одновибратора27 записывает в "1" в старшем разряде последнего, имеющего вес Йо, и код "0" черезэлемент ИЛИ 24 в счетчике 17.По "0" коду счетчика 29 и "1" триггера30 дешифратор 31 формирует сигнал 55,который через элемент ИЛИ 45 разрешаетработу элемента И 39. Через него проходит первый появившийся импульс 48 отформирователя 34, устанавливая код "1" всчетчике 29. В качестве напряжения синхронизации на шине 3 обычно используетсяпеременное напряжение сети питания, являющейся основным источником помех,по переходу которого через нулевой потенциал формирователь 34 вырабатываетимпульсы 48 с периодом повторения1- Тп - периода помехи,2По коду "1" счетчика 29 и "1" триггера30 дешифратор 31 формирует сигнал 56, который включает генератор 32, источник 12(через элемент ИЛИ 23), разрешает работуэлемента И 19 и с помощью переключателя8 подключает к резистору 7 напряжение Ох,5 Так как со снятием сигнала 63 источник 13выключился. то в суммирующий вход ПНЧ 6втекает ток:О, +О. Оос11=й+ 1 см + - + 1 ос,й10 который преобразуется в частоту Г 1- К 11Импульсы Г 1 увеличивают записанный всчетчике 16 код й течение сигнала 56, длительность которого должна соответствоватьдлительности Тн измерения Ох прототипа и15 она формируется с помощью счетчика 17, Вэтот счетчик импульс с выхода элемента И39 по окончании сигнала 56 записывает изрЕгиСтра 18 кОд па 1,При этом для обеспечения Трг,Тп20 младший разряд регистра 18 записывается в разряд счетчика 17, имеющий вес1- Йо благодаря этому величина эаписан 2ного в счетчике 17 кода Йр будет равна:25 ЙОяЙр = - Йо па 12 КОоВеличина 1=МоЬо выбрана в АЦП из условия обеспечения необходимой точностипри измерении величины по 1, максималь-.30 ное значение которой может быть 2 Йо, Поэтому длительность Тр, формируемая покоду Йр с помощью частоты 1. будет равна:1Тр -- Йоп 01-- Йо2235 12 Йо= ЙодоЙотои соответствует 1 О прототипа,Величина Тр равна длительности сигнала 56, который через элементы ИЛИ 23 и 2540 включает в счетчике 17 режим вычитания,поэтому импульсы 1 уменьшают Йр до нуля,по достижению которого формируется сигнал 61 и по его положительному перепадузапускается формирователь 35, Его выход 45 ной импульс проходит через элементы И 38и ИЛИ 41 на счетчик 29, устанавливая в немкод "2", Сигнал 56 снимается и на этом первый такт Т 1 измеРениЯ Ох заканчиваетсЯ.Его длительность равна Тр и за это время в50 счетчике 16 получен кодХ 1=Йо+г 1 Й 1, гДЕ Т 1=Тр Йр/1.Длительность Т 1 выбирается из условия1Т 1а Тп где п 1 - нечетное число, а Тп55 периодпомехи,т.е, Т 1 недолжно превышатьнечетное число периодов импульсов "48",Благодаря такому выбору второй такт измерения Ох будет начинаться со сдвигомна нечетное число полупериодов помехи иэто позволяет, как и в прототипе, исключить влияние помехи Оо на результат преобразования,Г 1 о коду "2" счетчика 29 и "1" триггера 30 дешифратором 31. формируешься сигнал 57. 5 по которому аналогично сигналу 55 синхронизируется начало второго такта измерения Ох, и с помощью импульса 62 записывается код йр в счетчик 17 и устанавливается код "3" в счетчике 29, По коду "3" этого счетчика 10 и "1" триггера 30 дешифратор 31 формирует сигнал 58 второго такта измерения Ох, который включает истбчник 12 и с помощью переключателя 9 подает напряжение Ох на вычитающийвход ПНЧ 6. Отсутствие сиг налов на управляющих входах переключателей 8 и 10 обеспечивает подачу на резистор 7 напряжения Оо, величина которого ОоОв - максимального напряжения Ох, 20Поэтому в течение сигнала 58 в суммирующий вход ПНЧ 6 втекает токОо Ох - Оп + +Оос+2см 1 ос. который преобразуется в частоту Г 2=К.12 25В течение сигнала 58 импульсы Г 2 в счетчике 16 вычитаются из Х 1, т,к. сигнал 58 включил в нем режим вычитания. Длительность Т 2 формируется счетчиком 17 (аналогично Т 1) и равна Т 2= йр/т. За это время на 30 вход счетчика 16 поступит Х 2 импульсов (Х 2= =Р 2 Е 2) и в нем будет сформирован кодйХр=Х 1 Х 2=йо+(1 г 2)Тр йо+К(11 12)По снятию сигнала 58 формирователь,37 35 вырабатывает импульс устанавливающий в "0" триггер 30(через элемент ИЛИ 43) и в "0" счетчик 29 через элемент ИЛИ 42), на этом преобразование заканчивается, на шинах 5 установлен результат преобразования Хр, о 40 чем информирует сигнал 63 на шине 4.Код Хр соответствует окончательному результату преобразования, и он свободен от составляющих погрешностей, вызываемых остаточными параметрами смещения 45 Оос, 1 ос Действительно, подставляя в Хр величины 1, 12, йр, получим:Ох ОхХр = - 2 МО =-( -Оо лрОо 50 где Ьр = - о - квант АЦП, котоРый Равен2 йо0,5 кванта прототипа:Таким образом, в АЦП устранен недостаток прототипа, по сравнению с которым достигнуто повышение его точности.Для оценки этого повышения необходимо учесть точность, получаемую при выполнении компенсации Оос, 1 ос с формированием по 1 и сравнить ее с погрешностью дс от остаточных параметров Оо. и 1 ос прототипа.Преобразование периода Го 1 в код по 1 в моменты компенсации выполняется с наибольшей погрешностью -"1", соответствующей временному кванту 1/1, Эта погрешность войдет в длительность Тр йо(по 1-1)1/т и приведет к наибольшей1погрешности др в Хр при преобразовании Ох=Ощ, которая будет равна;О, О., 1 Лй.Оп Ор йвпо 1 Оо по 1УчитываЯ, что по 1 =2 йо величина др не превышает 0,5 кванта прототипа,Выполняя количественную оценку получаемого положительного эффекта повышения точности АЦП, необходимо в схеме иметь такие же соотношения между параметрами, как и в прототипе: изменение входного сигнала Ох= О" Ов. опорное напряжение Оо=Ощ квант по напряжению Л = и по току 1 Л = - , временнойО Лйо1 1 1 квант при измерении Ох -- =о го КОо вРемЯ измеРениЯ Тр =Т 1 =Т 2 = йо/то изменение коэффициента ПНЧ К=Ко(1+ рх), амплитуда помехи Оо, которой соответствует среднее значение за Тр Оп=рпОщ ток смещения ,смОо/Й, параметры остаточных смеОос Ов щений в ПНЧ - + 1 о, =рс, ПоВ й сравнению с прототипом в АЦП частота 1 генератора повышена в йо раз и в результате преобразования получается уменьшенный в 2 раза квант Лр = - Л, который12соответствует единице Хр.Величина дс прототипа определяется временем Тз = она зависит от разнойзости токов, преобразуемых в Т 2 и будет наибольшей при Ох= Оо, Из основного уравнения преобразования:1 о=-2 йо 1Ох+Оп1 к = 2 й 11 л = 2 К 1 л -- + 1 см +10 15 20 и при Оп=0,1 в 25личины:ас=-0,06 вляет более 9,4повышена в 3 о в предложен- устранению не- сравнению с чность без изия и параметПодставляя в эти выражения Ох= Опи соотношения параметров прототипа,получим;Ь=2 к (1+сЬ)1. Р +а Р +Оо Оп+ ас - + апТ 1 = 2 Ко(1 + С)1 ХО о Оп 1 Х - д - (1 + 2 ап + ас)Т 1ОКод, Т 1 - 11 = 2 Р (1 + ак) (1 + 2 цо + ас).2 ОщРЙз=Йо =2 йо; +асОв2 ао+ас+В(1+2 СЬп+аЯ,1 +0,5 асОп Р Йз1 дс- Ос р Я х2+асЕсли в АЦП с йо=10 имеют место следующие ве ао= =0,1 а=0,05 дс=9,4; т.е. погрешность дс с соста квантов прототипа.Отсюда точность а=дс/др раэ: а 18,8 т.е. более, чем в 18 раэ.Все это подтверждает, чт ном АЦП решена задача по достатка прототипа, по которым повышена его то менения времени измерен ров ПНЧ.фо м ла изоб е Р У р тени я1, Частотный аналого-цифровой преоб раэователь, содержащий преобразователь напряжения в частоту импульсов, суммирующий вход которого соединен с выходом источника тока смещения и через токоограничивающий элемент, выполненный 45 на резисторе, - с выходом первого переключателя, вычитающий вход - с выходом второго переключателя. а выход - с первым входом первого элемента И. третий переключатель, источник опорного напряжения, 50 первый и второй реверсивные счетчики, выходы разрядов первого из которых являются выходной шиной, а вход установки нулевого кода - шиной пуска и объединен с первым входом блока управления, второй вход кото рого является шиной синхронизации, первый выход - шиной готовности результата, третий вход - подключен к выходу второго элемента И, входы которого соединены с первыми выходами разрядов второго реверсивного счетчика, второй и третий выходы блока управления соединены с управляющими входами соответственно первого и второго переключателей и с первым и вторым входами первого элемента ИЛИ, выход которого соединен с входом источника тока смещения, первые информационные входы первого и второго переключателей являются входной шиной, второй вход второго переключателя является общей шиной, второй и третий элементы ИЛИ, выход последнего из которых соединен с входом управления вычитанием второго реверсивного счетчика. третий и четвертый элементы И, первый вход последнего из которых соединен с четвертым выходом блока управления, о т л и ч а ю щ и й с я тем, что, с целью повышения точности, в него введены управляемый источник тока, выпрямитель - интегратор, делитель напряжения, регистр, одновибратор и формирователь импульсов, выход которого соединен с первым входом третьего элемента И. а вход - с пятым выходом блока управления и объединен с входом управления третьего переключателя, первый и второй информационные входы которого соединены соответственно с выходом и входом делителя напряжения, подключенным к выходу источника опорного напряжения, а выход третьего переключателя подключен к второму информационному входу первого переключателя, входы и выходы разрядов регистра соединены соответственно с единичными выходами младших и с единичными входами старших разрядов второго реверсивного счетчика, а вход записи - с выходом третьего элемента И, второй вход которого объединен с четвертым входом блока управления и подключен к нулевому выходу одновибратора, вход которого объединен с первым входом блока управления, а единичный выход - с входом старшего разряда первого реверсивного счетчика и с первым входом второго элемента ИЛИ, выход которого подключен к входу установки нулевого кода второго реверсивного счетчика, а второй вход - к шестому выходу блока управления, седьмой и восьмой выходы которого соединены соответственно со счетным входом и входом записи кода второго реверсивного счетчика пятый вход - с выходом преобразователя напряжения в частоту, первый выход - с первым входом управляемого источника тока, третий вход объединен с вторым входом четвертого элемента И, а третий выход - с входом управления вычитанием первого реверсивного счетчика, счетный вход которого подключен к выходу первого элемен 1702528та И, второй вход которого соединен с выходом первого элемента ИЛИ и объединен.с первым входом третьего элемен)а ИЛИ, второй вход которого пади,лючен к четвертому выходу блока управления, выход управ ляемого источника така обьединен с выходом источника тока смещения, а втой)ОЙ вход с ВыхОдОм Выпямителя-интег ратора, вход которого подключен к выходу четвертого элемента И, 102. Преобразователь по п, 1, О т л и ч а ющ и й с я тем, что блок управления Выполнен на счетчике, триггере, генераторе импульсов, с первого по четвертый формировател 1 импульсов, элемент задержки, с первого и.". .5 третий элементах И, с первого по седьмой элементах ИЛИ и дешифраторе соответствующие Входы которого соединены соответственно с выходами разрядов счетчика и с единичным и первым выходами триггера. 20 единичный вход которого подключен к пер вому входу первого элемента И, а нулевой - к первому Входу третьего элемента И и является первым выходом блеа, первым входом которого являотся единичный, вход 25 триггера и первый вход второго элемента ИЛИ, вторым входом блока - вход первого формирователя импульсов, выход которого соединен с первым входом второго элемента И, третьим входом блока - вход 30 второго формирователя импульсов, выход которого соединен с вторым входом пер. ваго элемента И, четвертым входом блока является - соотве-ственно третий вход первого и вторые входы второго и третьего 35 элементов И, пятым входсм блока являет. ся третий вход третьего элемента И, выход которого подключен к первому входу перВого элемента ИЛИ., второй вход которога соединен с выходом первого элемента И, 40 третий Вход-является восьмым выходом блока и соединен с выходом второго элемента И, а выход - соединен со счетным входом счетчика, вход установки нулевого кода которого подклочен к выходу второго элемента ИЛИвторой вход которого соединен с выходом третьего формирователя импульсов, третий вход объединен с нулевым входом триггера и соединен с выходом третьего элемента ИЛИ,. первый и Второй входы коараго подключены соот- ВетственнО к ВЫХОДам четвертсга формирователя импульсов и элемента задержки, первый выход дешифратора является шестым выходом блока И и объединен с первь 1 м входом шестого элемента ИЛИ, варой выход - с вторым входом шестого элемента ИЛИ и с первым входом четвертого элемента ИЛИ, третий выход - с первым входом седьмого элемента ИЛИ, четвертый выход - с вторым входом седьмого элемента ИЛИ и с входом третьего формирователя импульсов, пятый и шестой выходы - с соответствующими входами пятого элемента ИЛИ, седьмой выход - является вторым выходом блока и соединен с вторым входом четвертого элемента ИЛИ, восьмой выход - с третьим входом четвертого элемента ИЛИ. с входом четвертого формирователя импульсов и является третьим выходом блока, пятым выходом которого является выход шестого элемента ИЛИ, седьмым выходом - является выход генератора импульсов, а четвертым выходом - выход седьмого элемента ИЛИ и четвертый вход четвертого элемента ИЛИ, выход которого соединен с входом генератора импульсов, а выход пятао элемента ИЛИ соединен с третьим входом второго элемента И, 17025281702528 58Ю - ШИВИййй. Шщшищищщиис- 2 Л Составитель В.МахнановРедактор Е,Зубиентова Техред М.Моргентал Корректор Т,Палий Производственно-издательский комбинат Патент", г, Ужгород, ул,Гагарина, 101 Заказ 4551 Тираж ПодписноеВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР113035, Москва, Ж, Раушская наб., 4/5