Способ аналого-цифрового преобразования и устройство для его осуществления

ОП ИСАНИЕ 938 З 99ИЗОБРЕТЕНИЯ Союз Советск илСоциалистическиеРеспубики К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ(23)йрноритет -3 ЬеударстеаяяЫ 1 кемятет ФСТР де делам изобретеяяй и открытийОпубликовано 23. 06. 82. Бюллетень М 23 Вата опубликования описания 23.06.82(72) Авторы нзобретени Е. Б. Грейз и А, И. Мехович Центральное конструкторское бюро гидроприборостроения 71) Заяв Ч СПОСОБ АНАЛОГО-ЦИФРОВОГО ПРЕОБРАЗОВАНИ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЯЕНИЯИзобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в системах автоматического измерения, а также в качестве автономного прибора с автоматической цифровой коррекцией аддитивной и мультиплекативной погрешностей преобразования аналоговой величины в цифровой код.Известен способ аналого-цифрового преобразования и аналого-цифровой преобразователь для его реализации.Способ основан на формировании временных интервалов, пропорциональных. сумме измеряемого напряжения и эталонного напряжения Ц, Ут и величиине У, умноженной на коэффициент преобразования (, где К,1 и К реКа.Ц-Вс фзисторы делителя напряжения заполнение этих временных интервалов импуль о сами эталднной частоты, количество которых равно соответственно 1, И и И и формировании кодов, соответствующих разности И-И и Я,1-И, по величине, пропорциональнои отношению этих разностей судят о величине измеряемого напряжения.Устройство для осуществления дан ного способа содержит источник измеряемого напряжения, источник эталонного напряжения, делитель напряжения, блок управления, ключи, усилитель, генератор пилообразного напряжения, нуль-орган, генератор заполняющих импульсов и три счетчика. Преимущество способа и устройства заключается в том, что точность измерения определяется стабильностью одного источника эталонного напряжения Бвт 0Однако для исключения влияния на точность измерения нестабильности резисторов Й,1 и В проводят дополнительно четвертое измерение, Таким образом, недостатком предлагаемого способа и устройства является низкое быстродействие.Известен аналого-цифровой преобразователь с цифровой коррекцией погрешностей,Известный способ основан на преобразовании в частоту следования им- зпульсов измеряемого и двух эталонныхнапряжений с подсчетом импульсов час"тот за эталонное время, Время измерения по,известному способу формируютсуммированием временных интервалов, 1 Ообратно пропорциональных коду разности количеств импульсов частот,пропорциональных первому и второму эталонным напряжениям, причемвременные интервалы формируют по 15каждому импульсу частоты; пропор"циональной измеряемому напряжению смомента, когда количество импульсовэтой частоты станет равно коду частоты, пропорциональной первому эталонному напряжению.Устройство для осуществления известного способа содержит преобразователь напряжения-частота, вход которого через аналоговые ключи соединен с выходами источников двух эталонных и измеряемого напряжений, а выход - соединен с первыми входами первого, второго и третьего элементов И, при этомЗО вход сдвигающего регистра через делитель соединен с выходом генератора, а три его выхода - соединены с управляющими входами аналоговых ключей первого, второго и третьего элементов И,а выходы первого счетчика соединены с выходами первого и второго элементов И вход же второго счетчика соединеН с выходом первого элемента И, а выход - соединен с выходом первого триггера, причем входы четвертого элемента И соединеныО с выходами третьего элемента И и первого триггера, вход первого двоичного умножителя соединен с выходом первого счетчика, а выход соединен с входом второго триггера, входы пятого элемен- та И соединены с выходами второго триггера и генератора, а выход соединен с входом третьего счетчика, входы второго триггера соединены с выходами четвертого элемента И и двоичного умножителя, другой вход которого соединен с выходом третьего счетчика, а выход первого триггера соединен с вторым входом четвертого элемента И 2,Недостатками известных способа и устройства является невысокая точ" ность измерения, так как погрешность ,результата зависит от нестабильности и первого и второго эталонных источников, Кроме того, эталонные источники должны иметь точную регулировку сохранения постоянного масштаба преобразования, А это не только усложняет конструкцию источника но и снижает стабильность эталонного напряжения, а следовательно, и точность измерения.Цель изобретения - повышение точности без снижения быстродействия. Поставленная цель достигается тем, что согласно способу аналого-цифрового преобразования, основанному на преобразовании в частоту следования импульсов первого эталонного напряжения и подсчете импульсов частот за эталонное время, преобразуют в частоту следования импульсов сумму первого и второго эталонных напряжений, затем сумму первого эталонного и измеряемого напряжений, а время измерения формируют суммированием временных интервалов, обратно пропорциональных коду разности количеств импульсов частот, пропорциональных сумме двух эталонных и первому эталонному напряжений, причем временные интервалы формируют по каждому импульсу частоты, пропорциональной сумме первого эталонного измеряемого напряжений, начиная с момента равенства количества импульсов этой частоты, коду частоты пропорциональной первому эталонному напряжению.Устройство для осуществления способа, содержащее преобразователь напряжение-частота, вход которого через первый, второй и третий переключатели соединен соответственно с выходами первого и второго эталонных и измеряемого источников напряжений, а выход соединен с первыми входами первого, второго и третьего элементов И, вторые входы которых соединены с управляющими входами переключателей и с соответствующими выходами сдвигающего регистра, вход которого через делитель соединен с вь 1 ходом генератора и с первым входом четвертого элемента И, второй вход которого соединен с единичным выходом первого триггера, нулевой вход которого соединен с выходом первого двоичного умножителя, первый и второй входы которого соединены соответственно с выходами первого и второго счетчиков, вычитающий и суммирующий входы по938399 Преобразование осуществляетсяследующим образом,За первый такт (первое эталонноевремя) получают о Могде Е - код частоты, соответствующий подключению первогоэталонного источника, измеренной за эталонное время;Е - начальная частота;- коэффициент, характеризующий крутизну преобразования;0 - напряжение первого эталононого источника.Значения Ро и к все три такта измерения при достатоцно малой длительности такта (эталонное время) практически не изменяются. Второй и третий такты измерения по длительности равны первому такту. Каждый такт длится эталонное время.Поэтому Е = Р + (О, + 1 О),(2) Р = Г + 1 с(0,+ Цо), (3) где Р - код частотысоответствующийподключению последовательновключенных первого и второгоэталонных источников напряжения (измерение на второмтакте);Р - код частоты, соответствуюЭщий подключению последовательно включенных измеряемому и первому эталонному на -пряжениям (измерение на третьем такте)Иэ формул (2) и (1) следует Результат измерения получают в момент окончания третьего такта, т. е, практически предлагаемый способ обеспечивает максимально возможное быстродействие для измерения напряжений интегрированием, т. е, подсчетом импульсов частот эа эталонное время, что значительно сокращает случайную составляющую ошибку. 1 мИз выражений (3) и (1) следует(5) На чертеже показана функциональнаясхема предлагаемого устройства.Устройство содержит источники 1 и2 эталонных напряжений, источник 3 из-.меряемого напряжения, переключатели4-6, сдвигающий регистр 7, генератор8, делитель 9, преобразователь 10напряжение-частота, элементы И 11-16,элемент ИЛИ 17, триггеры 18 и 19,счетчики 20-23, регистр установки 24,двоичные умножители 25 и 26. Из формул (4) и (5) следует(фа 4) 1 вР ) (7) согласно способу, измеряемое напря-,следнего соединены соответственно с выходами первого и второго элементов И, а нулевой выход второго триггера соединен с первым входом пятого элемента И, введены третий и четвертый 5 счетчики, второй двоичный умножитель, регистр установки, шестой элемент И и элемент ИЛИ, первый вход которого соединен через пятый элемент И с выходом третьего элемента И и единичным входом первого триггера, второй вход соединен с выходом шестого элемента И и через последовательно соеединенный третий счетчик, второй двоичный умножитель - с входом четверто" 1 го счетчика, а выход соединен с суммирующим входом второго счетчика, вычитающий вход которого соединен с вы" ходом первого элемента И, а выход переноса - с единичным входом второ го триггера, единичный выход которого соединен с первым входом шестого элемента И, второй вход которого соединен с выходом четвертого элемента И, при этом выход регистра установки подключен к потенциальным входам второго двоичного умножителя, а входы ис. точников второго эталонного и измеряемого напряжений подключены к выходу первого переключателя. 0Измерение по предлагаемому способу позволяет исключить не только аддитивную и мультипликативную погрешность преобразования, но и погрешность, вызываемую отклонением напряжения перво- го эталонного источника от номинального значения.9383 жение должно быть пропорциональновремени измерения, т. е,(8) где е = со 1 ь. - коэффициент пропорциональности.(10) ния (8) (9) и (10) Поставим вырв Формулу (7) еже Так как Б;= сопят и е = сонг то,иэ выражения (11) следует, что временные интервалы д 1, суммированиемкоторых образуется время измерения,обратно пропорциональны коду разности количеств импульсов частот, пропорциональных сумме двух эталонных и15первому эталонному напряжению.Таким образом, по предлагаемомуспособу результат измерения можно получить к моменту окончания третьеготакта. Для этого достаточно выбратьвеличину коэффициента пропорциональности такой, чтобы временной интервалфС, сформированный по импульсу соответствующей частоты, заканчивался допостуйления следующего импульса этойчастоты. Результат измерения по предлагаемому способу не зависит от значения напряжения первого эталонного источника, достаточно, чтобы это значение было постоянным все три такта изюмерения.Это позволяет не только повыситьточность измерения, но и упроститьустройство, работающее по предлагаемому способу,Устройство работает следующим об- фразом.По команде "Начальная установка"=о+ Ъ,(12) где Р - начальная частота преобразоователя 10;1 с - крутизна характеристикипреобразователя 10.Эта частота через элемент И 11 поступает на вычитающие входы счетчиков 20 и 21, В течение первого такта измерения, длительность которого оп-. ределяется коэффициентом деления делителя 9, Прй переполнении этого делителя с его выхода поступает импульс на тактирующий вход сдвигающего регистра 7. "1" из первого его разряда сдвигается в второй разряд (в первом разряде остается "0"), начинается второй такт измерения, Переключатель М подключает выход источника 1 к входам. источников 2 и 3, переключатель 5 подключает вход источника 2 к входу преобразователя 10. Частота на выходе преобразователя 10 Р = Р + 1 с Я + Цо), (13) так как источники 1 и 2 оказалисьвключенными последовательно, Эта частота Е поступает с выхода преобразователя 10 через элемент И 12 на 99 8навливается в "0"., подавая запрет на элемент И 15 и разрешение на элемент И 11. В первую ячейку регистра. 7 записывается "1", в остальных двух ячейках этого регистра записывается 0Счетчики 20"23 устанавливаются в состояние "0". В регистр 2 устанавливается число, пропорциональное.зна-, чению , причем коэффициент пропорециональности для напряжения Опь равен коэффициенту пропорциональности для напряжения Б 1 и пропорционального ему числа в счетчике 23.Снятие команды "Начальная установка" является моментом начала измерения, Так как на переключатель 4 с первой ячейки сдвигаещего регистра. 7 подан сигнал "1", а на переключатели 5 и б с выходов второй и третьей ячейки регистра 7 поданы сигналы "0", то переключатели 5 и 6 .отсоединяют источники 2 и 3 от .входа преобразова" теля напряжение - частота 10, а переключатель Й соедйняет выход источника 1 с входом преобразователя 1 О.Частота на выходе преобразователя(17) 99383 суммирующий вход счетчика 20 в тече . ние второго такта, который заканчивается по импульсу с выхода делителя 9 поступающему на тактирующий вход сдвигающего регистра 7, поэтому "1" 5 из его второго разряда сдвигается в третий разряд. Зто момент начала третьего такта измерения. Переключатель 5 отключает выход источника 2 от входа преобразователя 10, а переключатель 6 подключает источник 3 измеряемого напряжения к входу пре" образователя 10. Частота на выходе преобразователя 10 5 о (фо % ) так как источники 1 и 3 включеныпоследовательно. Зто частота поступает через элемент И 13 на вход элемента И 14 и на вход установки в "1"триггера 18 в течение третьего такта измерения, до поступления импульса переполнения с выхода делителя 9на сдвигающий вход регистра 7,Обозначим длительность каждоготакта через Т = сотвй.Тогда число импульсов с выходапреобразователя 10 за первый, второйтретий такт равны соответственно ИВ счетчике 20 записано число В счетчик 21 на первом такте поступает М, импульсов, на выцитающий вход. На третьем такте по каждому импульсу15 с выхода элемента И 13 триггер 18 устанавливается в состояние", разрешая прохождение импульсов с генератора 8 через элемент И 16, на входэлемента И 15. На другом входе элемента И 15 с начала третьего такта сиго нал запрета, так как триггер 19 по начальной установке находится в состоянии "0". В начале третьего такта, как уже указывалось выше, импульсы свыхода преобразователя 10 через элемент И 17 поступают на вход элемента И 14, на другом входе элемента И 14 разрешение с инверсного плеча тригге 99 1 Ора 19. Импульсы с выхода элемента И 14 через элемент ИЛИ 17 поступают. на суммирующий вход счетчика 21. Как только количество этих импульсов ста" нет равно И 1 (именно столько импульсов поступило на вычитающий вход счетчика 21 на первом такте) сигнал обнуления с выхода счетчика 21 поступает на вход триггера 19, устанавливая триггер 19 в состояние "1". С инверсного плеча этого триггера на вход элемента И 14 поступает теперь сигнал запрета, тем самым прекращается поступление импульсов на суммирующий вход счетчика 21 с выхода элемента И 14, а на вход элемента И 15 поступает сигнал разрешения, и. импульсы с выхода генератора 8 через элементы И 16, И 15 элемента ИЛИ 17 поступа- М на суммирующий вход счетчика 21, "который в рассматриваемый момент (установки триггера 19 в н") обнулен. Так как выходы счетчика 21 соединены с входами двоичного умножителд 25, то заполнение импульсами генератора счетчика 21 вызывает появление импульса на выходе двоичного умножителя 25. Зтот импульс установит триггер 18 в состояние "0", тем самым запрещается прохождение импульсов генератора через элемент 16, соответственно с выхода элемента И 15 на вход счетчика 22 поступление импуль" сов прекращается. При поступлении следующего импульса с выхода элемента 13 триггер 18 вновь устанавливается в , импульсы генератора 8 проходят через элементы И 6, И 15, ИЛИ 17, на суммирующий вход счетчика 21 - до появления импульса на выходе двоичного умножителя 25, устанавливающего триггер 18 в "0". Процесс повторяется по каждому импульсу с выхода преобразователя 10. Определим длительность временного интервала, в течение которого триггера 18 находятся в состоянии "0". При заполнении счетчика 21 частотой генератора 8 (обозначим ее ЕВ, при" чем ЕВ = соп 5 й), частота на выходе двоичного умножителя 25 где Е . - емкость счетчиков 20 и 21,11 9383Учитывая выражени. ,15) (16) получимР= - -( - И ) = Р - Р) (18) 12 99 Длительность пребывания триггера18 в .состоянии "1"1 Е 1Р, Р, У Р-Р .(19) Таким образом, временной интервал, Формируемый триггером 18 обратно пропорционален коду разности количеств импульсов частот, пропорциональных сумме двух эталонных и первому эталонному напряжению. Эти временные интервалы Формируются по каждому импульсу частоты Рэ, пропорциональной сумме первого эталонного и измеряемого напряжений с момента, когда количество 20 импульсов этой частоты станет равно М, т. е. коду частоты пропорциональной первому эталонному напряжению.В течение каждого интервала 18 на вход счетчика 22 с выхода элемента И 15 поступают импульсы с частотой Р 8 . Пусть в регистре 2 Й установ-. лено по начальной установке некоторое число И. Тогда число в счетчике результата 23 36ИИ Формула изобретения 1. Способ аналого-циФрового преобразования, основанный на преобразовании в частоту следования импульсовпервого эталонного напряжения и подсчета импульсов частот за эталонноевремя, о т л и ч а ю щ и й с я тем,что, с целью повышения точности, после преобразования в частоту следования импульсов первого эталонного напряжения преобразует в частоту следое 49вания импульсов сумму первого и второго эталонных напряжений, затем сумму первого эталонного и измеряемогонапряжений, а время измерения Формируют суммированием временных интервалов, обратно пропорциональных кодуразности количеств импульсов частот,пропорциональных сумме двух эталонных и первому эталонному напряжений,причем. временные интервалы Формируютпо каждому импульсу частоты, пропорциональной сумме первого эталонногоизмеряемого напряжений, начиная смомента равенства количества импульсов этой частоты коду частоты, про(22) ф порциональной первому эталонному напряжению,2. Устройство для осуществленияспособа по и. 1, содержащее преобра" Число в счетчике 22 получается суммированием временных интервалов 1ТеЙ 11 81 В)яу Если выполнить счетчики 20-22, одинаковой емкости Е, то подставляяв Формулу 21) значение й 18 из выражения (19), получаем а-чения изаем четчик , прям 23 за- ропорТаким образом, вФиксировано число И Подставив в это выражение зн Формул (12), (13), (1 Й) полу циональное измеряемому напряжению,Следует обратить внимание на коэффициент пропорциональности выражения(22), в котором Ц = соп 51, а значение И ,можно устанавливать произвольно. Это дает возможность изменятькоэФФициент пропорциональности между числом в счетчике результата и измеряемым напряжением только установкой соответствующего значения И, .Таким образом, результат не зависит от погрешности установки первого эталонного источника, т. е. достаточно, чтобы три такта измерения напряжения этого источника было постоянным. Кроме того, источник второго эталонного напряжения б , можно выполнять без тонкой регулировки, например, в виде цепочки последовательно включенных стабилитронов, а точность соотношения (22) обеспечить подбором коэффициента И 24. Это не только позволяет сделать напряжение второго эталонного источника более стабильным, но и значительно упрощает изготовление и эксплуатацию устройства,13 9383 зователь напряжение-частота, вход которого через первый, второй и третийпереключатели соединен соответствен"но с выходами первого и второго эталонных и измеряемого источников напряжений, а выход соединен с первыми входами первого, второго и третьего элементов И, вторые входы которыхсоединены с управляющими входами переключателей и с соответствующими 1 Ввыходами сдвигающего регистра, входкоторого через делитель соединен свыходом генератора и с первым входомчетвертого элемента И, второй входкоторого соединен с единичным выходом первого триггера, нулевой входкоторого соединен с выходом первогодвоичного умножителя, первый и второй входы которого соединены соответственно с выходами первого и второго Всчетчиков, вычитающий и суммирующийвходы последнего соединены соответственно с выходами первого и второгоэлементов И, а нулевой выход второготриггера соединен с первым входом пя-того элемента И, о т л и ч а ющ е е е я тем, что в него введенытретий и четвертый счетчики, второйдвоичный умножитель, регистр установки, шестой элемент И и элемент ИЛИ, ЗВ 99 14первый вход которого соединен черезпятый элемент И с выходом третьегоэлемента И и единичным входом первого триггера, второй вход соединен свыходом шестого элемента И и черезпоследовательно соединенный третийсчетчик, второй двоичный умножительс входом четвертого счетчика, в выход соединен с суммирующим входомвторого счетчика, вычитающий входкоторого соединен с выходом первогоэлемента И, а выход переноса - сединичным входом второго триггера,единичный выход которого соединен спервым входом шестого элемента И,второй вход которого соединен с выходом четвертого элемента И, приэтом выход регистра установки подключен к потенциальным входам второго двоичного умножителя, а входы источников второго эталонного и измеряемого напряжений подключены к выходупервого переключателя.Источники информации,принятые во внимание при экспертизе1. Бромберг Э. И. и др. Тестовыеметоды повышения точности измерений.И , "Энергия", 1978, с. 121-125.2. Авторское свидетельство СССРУ 788374, кл. Н 03 К 13/20, 07.07.78.Л, Беляе Составител Техред К.М едактор Г. У ректор М, Шарош о каз 4480/У 9ктная, 4 илиал ППП "Патент", г. Ужгород, ул Тираж 959 НИИПИ Государственного по делам изобретений 3035, Москва, Ж, РаПодписноекомитета СССРи открытийшская наб д. 4/5