Аналого-цифровой преобразователь

(594 Н 03 0 ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ ЕТЕЛЬСТВУ ТОРСНОМ ГОСУДАРСТ 8 ЕННЫЙ КОМИТЕТ СССРПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ(56) Прянишников В.А. Интегрирующие цифровые вольтметры постоянного тока. Л.: Энергия, 1976, с.169.Авторское свидетельство СССР Иф 1150769, кл. Н 03 К 13/20, 20. 10.83 (54) АНАЛОГО-ЦИФРОВОЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ (57) Изобретение относится к импульсной технике, в частности к преобразователям напряжения в цифровой код с промежуточным преобразованием в частоту импульсов. Изобретение позволяеч повысить точность преобразования за . счет исключения влияния смещения преобразователя напряжения в частоту (ПНЧ) 13, вычитателя 12 и влияния помех от сети питания. В предложенном аналого-цифровом преобразователе преобразование. выполняется в два такта.На первом такте определяют величинупогрешности Х от изменения крутизныпреобразования и периода повторенияимпульсов синхронизации, на второмтакте выполняют преобразование входного сигнала и одновременно используют величину Х. На первом такте навходы вычитателя 12 подают нулевоенапряжение с шины 2 через переключатели 10 и 11, поэтому на входах ПНЧ13 оказывается напряжение смещениявычитатеря. 12 и .источника 14, которыйобладаетсобственным смещением; суммавсех смещений преобразуется с помощьюреверсивного счетчика 15 в код ЯНа втором такте осуществляются преобразование входного сигнала и одновременно, коррекция результата преобразования с появлением каждого изимпульсов с выхода ПНЧ 13. 1 з.п,ф-лы, 3 ил.1 1229958выхода триггера 22; 63 - сигнал сИзобретение относится к импульснойт игге а 2.1 64п еобразовате- единичного выхода триггера 21;технике, в частности к прео ра 20 65 и 66 -лям напря , ф кодап яжения в цифровои кодф " код с про- импульс одновибраторап еоб аэованием в частоту сигна лы первой и второй половины втомежуточным прео ррого такта преобразования; 67 - сигимпуимп льсов.нал второго такта преобразования;елью изобретения является повыше Целью р68 - сигнал недостоверности кода рение точности преобразования.На фиг.1 представлена блок-схема зультата преобразования и времениого- ифрового преобразователя; выполнения преобразования; 69 и 70 -10 в емена выполнения первого и второгона фиг.ф г,2 - блок-схема генератора им- времмма его тактов преобразования.пуп льсов и временная диаграмма ген- В предложенном АЦП преобразованиера оты;бна фиг.3 представлена временнало - кта Т и Т ).на д р налоя иаг амма ра оты аналоб налого-цифро- выполняется в два та (За Т определяется величина погреш 15 жж Х от жьмж Б ТАЦП др входную шину , шину .2 нулево рн левого напряжения, шину .3 эталонобразования, Т - период повторенияимпульсов синхронизации. В течениешин 4 нап яженияТ с преобраз ванне П иную шину 6, у6 шин 7 "Готовность резуль-выполняет20 дновременно, используя величину Х,тата", пеРвый 8 Р " корректируются погрешности в Резуль 8 и вто ой 9 ключи, пертате преобразования Для исключенияпрбра 13 напря до ш остей от рижения в частоту (П ) в кажуом такте в течение одной полоПНЧ) источник 14напряжения смещен 3 р р 25 вины его длительности импульсы сия еве сивный счетч к 15, состоящий из целой и дробноигой половине - вычитаютс . Длительразрядов и имеют, соответственно,веса младших разрядов 2 и 2 " и старших разрядов и2 и 2 первый 16 иподавление П , В процессе преобразовторой 17 двоичные счетчик , д ри со е жа-З 0вания Б при появлении каждого имщие по ш ра р дз я ов генератор 18 импульса с выхода ПНЧ выполняется коррекция состоящая в изменении резульь 19 и вто ой 20 одновибраторы, первый 21, второй 22 итата на величину Х 2 . Это позволятретий 23 триггеры, формировательет уменьшить погрешности от изменеимпульсов синхронизации 1 элементы И З 5 я 8 и Т до второй степени малости.25-34, элементы ИПИИПИ 35-41.Но этого для высокоточных АЦП можетГенератор У18 имп льсов содержитоказаться недостаточно ив преобразомультивибра р , Р вателе выполняется дополнительнаято 42 вто ой 43 и первый 44 формирователи импульсов триг оррекция результата, которая позвогер 45, элемент , вт Р ь ляет практически устранить влияниет И 46 второй 47, пер "оррекция Рвый 48 элементы ИЛИ.изменения Б и Т,На временных диаграммах фиг.2 и 3обозначены: 49 - сигнал окончания , АЦП работает следующим образом,первого такта преобразования на выхо-. По входному сигналу 5 (ф . )де элемента И 31; 50 - импульс форми "Пуск" устанавливаются в "0" все счетрователя 43; 51 - импульсы мульти- чики 15-17 и триггеры 21-23 и эапусвибратора 42; 52 - сигнал поддержания кается одновибратор 19, выходной сигработы генератора 18; 53 - сигнал нал 59 (фиг,3) которого разрешает раповторного запуска генератора 18; 54 - боту элеменента И 29. Че ез этот зле Рсигнал с единичного выхода триггера мент И 29 проходят пу ф р50 им льсы 60 форми 45; 55 - импульс формирователя 44; рователя 24 и первый из них устанав 56 - импульсы запуска мультивибратора ливает в 1 триггер , дгге 23 выхо ной42; 57 - сигнал работы генератора 18; сйгнал 61 которого открывает элементы58 - сигнал пуска АЦП в работу 59 - И 25 и 30 для прохождения имульсов симпульс однови раторб атора 19 60 - импульвыхода ПНЧ 13 через элемент ИЛИ 40сы синхронизации с частотой питающей на вход младшего разряда целой частисети; 61 - сигнал с единичного выхода реверсивного счетчика 15 и импульсовтриггера 23 62 - сигнал с единичного 60 (фиг.3) на счетный вход триггера958 17 и ш п. Если Ху выразить через ото носительную величину 8 = Х 2 , то П = 2" (1 -1) и П БТ 2 = 1 т.е. ЪБТ = 1Таким образом, преобразование одного кванта входного сигнала д не дает единицу младшего разряда целой части АЦП и требуется выполнить коррекцию результата преобразования на 3 для каждого кванта Ь .Во второй половине Т оканчивающейся по приходу следующего импульса 60, в течение Т ПНЧ 13 преобразует напряжение Щ + П ) и на вход младшего разряда целой части реверсивного счетчика 15 поступает И импульсовЫ= ,+ и,) БТ. (2) В реверсивном счетчике 15 получено число Х,= Х + И которое с учетом выражения (1) и того, что в нем будет переполнение при поступлении на вход числа импульсов, равного И, имеет величинуХ = П БТ = 2 - Х = 2 (1-8) (3) Из выражения (3) получают БТ = д 1 (1 -Я).(4) В момент. окончания Т по очередному импульсу 60 через элемент И 30 триггер 22 устанавливается в "0", на.нинается второй, такт преобразоваиия Т . Вначале Т величина Х запоминается в первом счетчике 16 для ее использования при дальнейшей коррекции результата преобразования. Это осущест-, вляется следующим образом. При переходе триггера 22 в "0" состояние, когда выходной сигнал 49 элемента И 31 проходит через элемент ИЛИ 39 на первый вход генератора 18 и запускает в нем Формирователь 43, его выходной импульс 50, проходя через элемент ИЛИ 48 (импульсы 56), пускает в работу мультивибратор 42 (импульсы 51) и через второй выход генератора 18 устанавливает в "1" старший разряд счетчика 17. С единичного выхода это го разряда сигнал 52 поступает через третий вход генератора 18 на мульти- вибратор 42. В течение времени, пока во второй счетчик 17 не поступит 2 импульсов 51 с первого выхода ге нератора 18, мультивибратор 42 Формирует импульсы. Выходной сигнал 49 элемента И 31запускает одновибратор 20, который 3 1229 22. Период повторения Т импульсов 60 выбирается равным одному или нескольким полупериодам сети питания Т, из напряжения которого они формируются формирователем 24. 5С момента появления сигнала 61 начинается первый такт Т преобразования, в первой половине которого до установки в "1" триггера 22 (сигнал 62) в реверсивном счетчике 15 включен 1 О режим вычитания, а на входы вычитателя 12 подано нулевое напряжение с шины 2 через переключатели 10 и 11. Поэтому на входах ПНЧ 13 будет напряжение смещения вычитателя П и насб пряжение смещения Н, источника 14, величина которого выбирается из условия обеспечения преобразования отрицательной амплитуды П помехи при П = = О. т.е. УП, Наличиенапряжений 20 смещения Пс в ПНЧ 13, а -также.У иси Уприводит к тому, что постоянно в АЦП к преобразуемому сигналу добавляется напряжение У = Нс + У + Псн спВ результате преобразования П в 25 течение Т на вход младшего разряда целой части счетчика 15 поступает П импульсов и в нем получается число ХяИ = У БТ, Х = 2 - И, (1)н сн н 30С появлением сигнала 62 начинается вторая половина Т;. В этот момент сигнал с нулевого выхода триггера 22 устанавливает по счетному входу в "1" триггер 21, который своим первым выходным сигналом 63 (Фиг.3) в реверсивном счетчике 15 включает режим суммирования, а сигнал с единичного выхода триггера 22 через элемент ИЛИ 36 с помощью второго переключателя 11 и второго ключа 9 подключит к сумми 40 рующему входу вычитателя 12 эталон.ное напряжение ПВ схеме АЦП крутизна преобразова-. ния Б устанавливается такой, чтобы при ее максимальном значении Б и наибольшем значении времени Т при преобразовании Нз получилось число 2", т.е, квант АЦП равен д = П - 2 и максимальное значение преобразуемого входного сигнала равно: П =л Хм (2 - 1)д(2 - 1) П 2 = П -дИзменение Б и Т приводит к уменьшению результата Пэ = П БТ = 2 -Х из-за уменьшения величины БТ. Величина Х зависит от изменения параметрров Б и Т и не превышает 2 , где ш - число разрядов в счетчиках 16 и45 единичным выходным сигналом 64 разрешает прохождение импульсов 51 как навход счетчика 16 через элементы И 27и ИЛИ 35, так и на счетный вход младшего разряда целой части реверсивногосчетчика 15 через элементы И 27 иИЛИ 40, в последнем из которых онисуммируются с Х , так как сигналом12 163 в нем включен режим суммирования. 1 ОЭлемент И 27 управляется также сигналом с нулевого выхода старшего разряда целой части реверсивного счетчика 15, поэтому при поступлении на еговход Х импульсов 51 этот разряд установится в 1 и подсчет импульсов811 11закончится . При этом в реверсивномсчетчике 1 5 находится число 2 , а вясчетчике 16 - Х рВ течение Т с появлением каждого 202из импульсов с выхода ПНЧ 13 в АЦПвыполняется коррекция результатапреобразования на величину с . Дляэтого импульсы с ПНЧ 13, проходя через элементы И 25 и 32, запускают 25генератор 18, на выходе которого каки вначале этого такта будет сформи 111. 1ровано 2импульсов 51, поступающихчерез элементы И 26 и ИЛИ 35 в первый счетчик 16. Так как в нем запи- зОсана число Х 1 то через (2 -Х 5)импульсов его старший разряд установится в "1" и разрешит прохождениеимпульсов 51 с выхода элемента И 26через элемент И 34 на счетный входмладшего разряда дробной части реверсивного счетчика 15. К окончанию2 импульсов 51 в счетчике 16 восстановится число Хс 1 а в реверсивномсчетчике 15 записанное в нем число 40будет увеличено на д,Выполнение этой коррекции позволяет .существенно уменьшить влияние о нарезультат преобразования, Результатпреобразования равенХ= К + Мр= Пд(1 - 8).Погрешность от с представляет собой величину второй степени малости.Но для прецизионных АЦП эта погрешность может оказаться недопустимой,поэтому в схеме выполняется дополнительная коррекция. Для этого при переполнении дробной части реверсивногосчетчика 15, т.е. при накоплении от 553 результат увеличивается на 3 и заТ в реверсивном счетчике 15 добавитсявеличина Н = Мк, 3 В результате выполнения двухкратной коррекции получаютХ = И + Ы + И = ББТ(1 + 3 +3)К 2К 1 К 2или, использовав величину БТ из выражения (4), получают:Х= П д(1 -1) (1 +3+3) == П д-(1 - 3). (5)Отсюда видно, что в результате преобразования Х погрешности от 8 сведены к третьей степени малости.Дополнительная коррекция в схеме АЦП выполняется по переключению в "О" сигнала 53 на единичном выходе старшего разряда дробной части реверсивного счетчика 15, Так как этот сигнал возникает во время выполнения первой коррекции, то для его запоминания в генераторе 18 имеется триггер 45 (с выходным сигналом 54) и специальный второй вход для повторного запуска сигналом 53. По окончании первой коррекции сигнал 52 запускает формирователь 44, который выходным сигналом 55 устанавливает в "О" триггер 45 и через элементы И 46 и ИЛИ 48 включает в работу мультивиб-. ратор 42, Процесс коррекции результата преобразования на 8 повторяется.Из условия необходимости выполнения двойной коррекции, т.е. формирования 2 импульсов 51 за время межВду двумя импульсами, с выхода ПНЧ 13 при максимальном входном сигнале У, выбирается частота Й, мультивибратора 42: й,= 2 Пкм 8.В течение первой половины Тг элемент И 28 сигналом 65 включает первый ключ 8 и через элемент ИЛИ 36, второй переключатель 11, которые подключают входной сигнал с наложенной помехой (Б+ Б) к суммирующему входу вычитателя 12, имеющему нулевое напряжение на вычитающем входе, и ПНЧ 13 начинает преобразовывать сигнал (И+ Ип+ Ис) В число импульсОВ Мг 1 кото рые через элементы И 25 и ИЛИ 40 поступают на счетный вход младшего разряда целой части реверсивного счетчика 15 и через элементы И 32 и ИЛИ 39 на 1 червый вход запуска генератора 18. Число Б 2, и сформированные в результате двойной коррекции числа суммируются в реверсивном счетчике 15 с числом 2" ,записанным вначале Т 2 . Получаемый к концу первой половины Тг ре(б) С приходом очередного импульса 60 заканчивается первая половина Т и начинается вторая с переключения в "1" триггера 22 (сигнал 62) и в "0" триггера 21 (сигнал 63). В течение второй половин Т в реверсивном счетчике 15 включен режим "Вычитание" .сигналом с нулевого выхода триггера 21, на суммирующий вход вычитателя 12 подано напряжение Ц , подключаемое с,15 помощью первого ключа 9 и второго переключателя 11 сигналом с единичного выхода триггера 22, и на его вычитающий вход - напряжение ц, подключаемое с помощью первого переклю чателя 10 сигналом бб с выхода эле,мента И 33. ПНЧ 13 преобразует напряжение (цэ- (ц+ ц ) + ц) в число импульсов НЧисло М и числа, сформированные 25 в результате двойной коррекции, вычитаются в счетчике из Х образуя в нем число:Хг= Ха (ц,р- цх- цп+ цс )ь (1-3 ).Подставляя Х, из выражения (6) и 30 учитывая, что сигнал ц+ ц интегрировался при преобразовании в течение Т, равного одному или нескольким Т, т.е. составляющая от ц равна нулю, получают 35Х = 2+ (2 ц - ц ) Ь (1 - 0)(7) фТаким образом, в разрядах целой части реверсивного счетчика 15, кроме младшего, подсоединенных к выходным шинам 6 АЦП, получен код результата преобразования Х = Ц ь, т.е. числовой эквивалент. входного напряжения. При этом Ц соответствует Х с погрешностью Х = (Х - 2" )Ь , которая имеет третью степень малости и не оказывает практическое влияние на Х.Окончание Т происходит по очередному сигналу 60, устанавливающему в "0" триггер 22, снятие сигнала 62 с единичного выхода которого через элементы И 33, ИЛИ 38 и 37 устанавливает в "0" триггер 23 по сигналу 67. Поступление импульсов с выхода ПНЧ 13 на реверсивный счетчик 15 за 1 О чателя объединен с первым входом первого ключа и является выходной шиной,второй вход первого ключа соединенс выходом четвертого элемента И, первый вход которого соединен с нулевымвыходом второго триггера, вход первого одновибратора является шиной"Пуск", о т л и ч а ю щ и й с я тем,что, с целью повышения точности, внего введены второй ключ, второй,третий, четвертый, пятый, шестой иседьмой элементы ИЛИ, источник напрязультат с .учетом выражения (5) равен Х= 2" + (Ц+ Ц," Ц) Ь(1 -3) канчивается, так как элемент И 25 закрывается сигналом 61, Но в АЦП ,может еще выполняться коррекция результата преобразования сигнала 57 в течение работы генератора 18 на его третьем выходе; сформированного элементом ИЛИ 47 из сигналов 50, 52 и 55.Поэтому готовность результата преобразования - сигнал 68 формируется элементом ИЛИ 41 по сигналу 59 одновибратора 19, сигналу 61 триггера 23, длительность которого равна времени выполнения первого такта Т 1 - 69 и второго такта Т - 70, и сигналу 57, равному времени выполнения коррекции, если она не закончилась в течение Т. Сигнал 68 дает информацию о недостоверном коде на выходе 6, когда выполняется в АЦП процесс преобразования, и об окончании преобразования. Формула изобретения 1. Аналого-цифровой преобразователь, содержащий преобразователь напряжения в частоту импульсов, выход которого соединен с первым входом первого элемента И, вычитатель, реверсивный счетчик, входы суммирования и вычитанИя которого соединены, соответственно, с единичным и нулевым выходами первого триггера, нулевой вход которого объединен с входами установки в нулевое состояние реверсивного счетчика, первого н второго счетчиков, счетный вход первого из которыхсоединен с выходом первого элементаИЛИ, первый и второй входы которогосоединены соответственно.с выходамивторого и третьего элементов И, первые входы которых объединены со счетным входом второго счетчика и соединены с первым выходом генератора импульсов, первый вход первого. переклю 1229958жения смещения, третий триггер, пятый,.шестой, седьмой, восьмой, девятый и десятый элементы И, второй одновибратор, формирователь импульсовсинхронизации, второй переключатель,первый вход которого соединен с выходами первого и второго ключей, второй вход объединен с вторым входомпервого переключателя и является шиной нулевого напряжения, а выход соединен с суммирующим входом вычитателя, вычитающий вход которого соединен с выходом первого переключателя,а выход соединен с первым входом преобразователя напряжения в частоту,второй вход которого соединен с выходом источника напряжения смещения,первый вход второго элемента ИЛИобъединен с первым входом четвертого 201 элемента ИЛИ и соединен с выходомчетвертого элемента И, второй входвторого элемента ИЛИ объединен с первым входом второго ключа, первым входом седьмого элемента И, первым входом.девятого элемента И и соединен сединичным выходом второго триггера,а выход второго элемента ИЛИ соеди-:.нен с третьим входом второго переключателя, причем второй вход второго 30ключа является шиной эталонного напряжения, а первый вход пятого элемента И объединен с первым входомседьмого элемента ИЛИ и соединен с.выходом первого.одновибратора, второйЗ 5вход пятого элемента И объединен спервым входом шестого элемента И исоединен с выходом формирователя импульсов синхронизации, вход которогоявляется шиной напряжения синхронизации, второй вход шестого элементаИ объединен с вторым входом седьмогоэлемента ИЛИ, вторым входом первогоэлемента И и соединен с единичнымвыходом третьего триггера, а выход 45шестого элемента И соединен с единичным входом второго триггера, единичный вход третьего триггера соединенс выходом пятого элемента И, нулевойвход - с выходом третьего элемента 50ИЛИ, первый вход которого объединен спервым входом восьмого элемента И исоединен с выходом четвертого элемента ИЛИ, второй вход которого объединен с третьим входом первого переклю чателя и соединен с выходом девятогоэлемента И, второй вход которого соединен с нулевым выходом первого триггера, единичный вход которого соединен с нулевым выходом второго триггера, нулевой вход которого объединен в нулевым входом первого триггера, вторым входом третьего элемента ИЛИ и является шиной пуска, второй вход седьмого элемента И объединен с вторым входом четвертого элемента И и соединен с единичным выходом первого триггера, второй вход восьмого элемента И объединен с первым входом шестого элемента ИЛИ и соединен с выходом первого элемента И, третий вход которого объединен с вторымвходам второго элемента И и соединен с нулевым выходом второго одновибратораединичный выход которого соединен с вторым входом третьего элемента И, а вход объединен с первым входом пятого элемента ИЛИ и соединен с выходом седьмого элемента И, второй вход пятого элемента ИЛИ соединен с выходом восьмого элемента И, а выход - с первым входом генератора импульсов, второй вход которого соединен с единичным выходом старшего разряда дробной части реверсивного счетчика, третий вход - с единичным выходом старшего разряда второго счетчика, единичный вход старшего разряда второго счетчика и нулевой вход старшего разряда первого счетчика объединены и соединены с вторым выходом генератора импульсов, третий выход которого соединен с третьим входом седьмого элемента ИЛИ, выход которого является шиной "Готовность результата", первый вход десятого элемента И объединен с певым входом первого элемента ИЛИ, второй вход - с выходом старшего разряда первого счетчика, а выход соединен с входом младшего разряда дробной части реверсивного счетчика, вход младшего разряда целой части реверсивного счетчика соединен с выходом шестого элемента ИЛИ, второй вход которого объединен с вторым входом первого элемента ИЛИ, единичные выходы всех, кроме младшего, разрядов целой части реверсивного счетчика является выходной шиной, а нулевой выход старшего разряда целой части реверсивного счетчика соединен с третьим входом третьего элемента И.2, Преобразователь по и. 1, о т - л и ч а ю щ и й с я тем, что генератор импульсов выполнен на двух ормирователях импульсов, триггере, двух элементах ИЛИ, элементе И и мультивибраторе, выход которого является первым выходом генератора импульсов, вторым выходом которого является выход первого элемента ИЛИ, соединенный с первым входом мультивибратора, второй вход которого объединен с первыми входами первого формирователя импульсов и второго элемента ИЛИ и является третьим входом генератораимпульсов, вторым входом которого является единичный вход триггера, нулевой вход которого объединен с первым входом элемента,И, вторым входом второго элемента ИЛИ и соединен с выходом первого формирователя импульсов,третий вход второго элемента ИЛИобъединен с первым входом первого элемента ИЛИ и соединен с выходом вторОго формирователя импульсов, вход которого является первым входом гене О ратора импульсов, третьим выходом которого является выход второго элемен-та ИЛИ, единичный выход триггера соединен с вторым входом элемента И, выход которого соединен с вторым входом 15 первого элемента ИЛИ.1229958 бФ оставителехред И.П Подписноео комитета СССРй и открытийРаушская наб., д. 4/ Заказ 3 Тираж 816 НИИПИ Государственн по делам изобрете 13035, Москва, Ж