Интегрирующий аналого-цифровой преобразователь

СОЮЗ СОВЕТСНИХСОЦИАЛИСТИЧЕСНИХРЕСПУБЛИК 9) (11) М 1/52 ГОСУДАРСТВЕННЫИ НОМ ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИИ ИЙ Т 3ЯЦ .рьс. 42,СССР 1974,ФРОВОЙ О бласт тся час ти к ателямможет напряжеыть исройствах истем гически- зволяет 1 х у ацииехнол ние и ОПИСАНИЕ ИЭОБРЕН А ВТОРСНОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВ 3898415/24-2417.05,8523.12.86. Бюл.47Всесоюзный научно-исслинститут электромеханА.И.Воителев и Л.М.Лу681.325 (088.8)Метрология, 1984,1торское свидетельство608, кл. Н 03 К 13/18(57) Изобретение отноимпульсной техники, втегрирующим преобраэония в цифровой код, ипользовано в прецезиосбора аналоговой инфоконтроля и управлениями процессами. Изобре повысить точность преобразования засчет того, что в устройство, содержащее интегратор, выполненный на операционном усилителе с интегрирующимконденсатором, нуль-орган, копенсирующую цепь, состоящую из резистораи конденсатора, ключи, триггеры, одновибратор, формирователи и генераторимпульсов, счетчик, элементы И, ИЛИи блок управления, введены аналоговыйинвертор, компаратор и блок коррекции, благодаря которым в устройствепроводится настройка конденсаторакомпенсационной цепи, что позволяетпри преобразовании компенсировать токзаряда абсорбционного конденсатора,за счет чего устраняются погрешностиот абсорбционного эффекта интегрирующего конденсатора и повышается точность преобразования. 3 з.п, ф-лы, 1279069Изобретение относится к импульсной технике, в частности к время-импульсным преобразователям в циФровой коддвойным интегрированием.Целью изобретения является повышение точности за счет уменьшения влияния температурной нестабильности абсорбцианной емкости интегрирующего конденсатора.На фиг.1 представлена схема предлагаемого АЦП; на фиг,2-4 - варианты выполнения компаратора, блока коррекции и блока управления; на фиг.5 временная диаграмма работы преобра 1 О зователя,устройство содержит шины 1 и 2входного и опорного напряжений, спервого па девятый ключи 3- 11, у которых при отсутствии сигнала на управляющем входе вход и выход разомкнуты20и они замыкаются при наличии управляющего сигнала, операционный усилитель 12, нуль-орган 13, компаратор14, аналогавьй инвертор 15, накопительные элементы, выполненные на первом 16 и втором 17 конденсаторах,блок 18 коррекции, токоограничивающие элементы на первом 19 и втором20 резисторах, с первого по четвертыйтриггеры 21-24, одновибратор 25, сЗОпервого по третий формирователи 2628 импульсов, первый 29 и второй 30элементы И, с первого по четвертьйэлементы ИЛИ 31-34, генератор 35 импульсов, счетчик Зб импульсов, блок З 537 управления, шины отрицательного38 и положительного 39 напряжения- Л, первьй 45 и второй 46 триггерыпервый 47 и второй 48 элементы И,45Блок 18 коррекции содержит реверсивный счетчик 49, накопительные элементы на конденсаторах 50,1-50.п, переключатели 51,1-51 и, у которых приотсутствии сигнала на управляющемвходе первый выход замкнут с вхоцом,а при наличии управляющего сигналавторой выход замкнут с входом,Блок 37 управления содержит счетчик 52, генератор 53 импульсов Формирователь 54 импульсов, первый 55и второй 56 триггеры, инвертор 57,первый 58 и второй 59 эл:ементы И,первый 60, третий 61 и второй 62 элеенгы ИЛИ, элемент 63 задержки, шины"Готовность" бб,На временной диаграмме (фиг,5)обозначены: 67 - сигнал пуска АЦП вработу; 68 - импульс переполнениясчетчика 52; 69 - 73,74 и 75 - сигналы с единичных выходов триггеровсоответственно 21-24,45-55 и 56;76 - сигнал переключения конденсаторов 50 в блоке 18; 77 - импульс переполнения счетчика Зб; 78 - сигналнулевого выхода компаратара 14; 79сигнал на выходе нуль-органа 13;80 - выходной сигнал одновибратора25; 81-83 - выходные сигналы формирователей импульсов соответственно26-28; 84 и 85 - сигналы на выходахинвертора 57 и элемента ИЛИ 61; 86и 87 - импульсы на четвертом и пер-.вом выходах блока 37; 88 - сигнал"Готовность".Предлагаемьй аналого-цифровой преобразователь (АЦП) работает следующимобразом,По сигналу включения питания АЦПэлемент 63 задержки блока 37 поддерживает нулевой уровень выходного сигнала на время нарастания питающих напряжений и тем самым устанавливает в "0" с первого па седьмой триггеры 21-24, 45,46,55 и счетчик 52. По выходному сигналу 68 переполнения последнего, возникающему при подсчете импульсов ат генератора 53, начинается такт настройки Т, Каждый из этих сигналов устанавливает в "1" триггер 55 (сигнал 75) и через элемент ИЛИ 61 запускает Формирователь 54, выход-, ной сигнал которого проходит через элемент И 59 на четвертый выход блока 37 (сигнал 86) и устанавливает в "0" триггер 56 и в " ,1" триггер 24 (сигнал 72), Этот сигнал замыкает ключи 7 и 11 и, проходя через элемент ИЛИ 60 на вход инвертора 57, устанавливает выходной нулевой сигнал 84 последнего и размыкает ключ б.Сигнал с нулевогс выхода триггера 24 запускает Формирователь 26, имеющий выходной сигнал 81, который, в свою очередь, запускает одновибратор 25 (сигнал 80) и через элемент ИЛИ 34 замыкает ключ 10 Поэтому конденсатор 16 заряжается до отрицательного напряжения источника 38 питания. После окончания сигнала 81 ключ 10 размы 1279069кается, ключи 5 и 8 также разомкнуты, поэтому к цепи, состоящей из последовательно соединенных конденсаторов 16, 17 и резистора 20, приложено напряжение источника 38 питания и напря жение противоположной полярности с выхода инвертора 15, а точка соединения конденсаторов имеет нулевое напряжение и через ключ 11 подсоединена к входу компаратора 14.В течение времени Т происходитнзаряд конденсатора 17 и абсорбционного конденсатора С, Если величины емкостей этих конденсаторов отличаются, то возникающая разность токов перезаряжает конденсатор 16. Изменение напряжения на этом конденсаторе определяется с помощью компаратора 14, в котором входной сигнал подается на неинвертирующий и инвертирующий входы нуль в орган 41 и 42, вторыми входами подключенных к источникам положительного и отрицательного смещения, величины напряжений которых выбираются меньшими кванта АЦП.Если за время Т на конденсаторен16 напряжение изменилось на величину, большую этого смещения, то на выходе одного из нуль-органов 41 или 42 будет единичный сигнал. Это означает, что конденсаторы 17 и С отличаются на недопустимую величину, которая при выполнении преобразования может вызвать дополнительную погрешность, большую кванта, и требуется настройка З 5 величины конденсатора 17. Его увеличение или уменьшение зависит от того, на выходе какого из нуль-органов 41 или 42 присутствует единичный сигнал. Эти сигналы подаются на первые входы ф элементов И 47 и 48, на вторые входы которых поступает. стробирующий импульс 82 формирователя 27. По этому импульсу осуществляется запись состояния нуль-органов 41 и 42 в тригге-ры 45 и 46, выходные сигналы которых "Больше" 73 и "Меньше" затем используются для изменения величины емкости конденсатора 17. Для исключения дополнительных погрешностей это изменение проводится после выполнения такта Т разряда конденсаторов 17 и С.Такт Тр начинается с установки в0" триггера 24 и в "1" триггера 23 импульсом 82, проходящим через элемент ИЛИ 32. Сигнал 71 с единичного выхода триггера 23 замыкает ключи 8, 9 и через элемент ИЛИ 34 - ключ 10. Конденсатор 16 перезаряжается до по-. ложительного напряжения источника 39 питания, на выходе инвертора 15 устанавливается отрицательное напряжение, Конденсаторы 17 и С д начинают разряжаться. Этот процесс заканчивается по окончании сигнала 78 с нулевого выхода компаратора 14 (выход нуль-органа 41), когда напряжение на конденсаторе 17 становится меньше кванта, По заднему фронту сигнала 78, проходящему через элементы ИЛИ 33 и И 30, устанавливается в "0" триггер 23. Сигнал 71 с его единичного выхода своим задним фронтом устанавливает в "0" триггеры 45 и 46, Если один из них был в "1", то, переключаясь в 0он изменяет (увеличивает или уменьшает) состояние реверсивного счетчика 49 на единицу и тем самым изменяет величину общей емкости конденсаторов 50.1-50.п и блока коррекции на величину С равную емкости конденсатора 50.1, относящегося к младшему разряду счетчика 49. Выходы разрядов этого счетчика управляют переключателями 51, которые при наличии единичного сигнала на управляющем входе подсоединяют соответствующие конденсаторы 50.1-50.п к выходу блока 18 коррекции, т.е. увеличивают его общую емкость, которая определяется. ,кодом, записанным в счетчике. При нулевом сигнале переключатели 51 закорачивают соответствующие конденсаторы 50.1-50.п. Величины емкостей конденсаторов 50.1-50.п распределены по двоичному закону от младшего разряда к старшему, Величина емкости младшего разряда выбирается с учетом величин С , его температурного дрейфа Г и требуемой точности.Таким образом, при наличии сигнала "Больше" на выходе компаратора 14 код счетчика уменьшается и величина общей емкости блока 18 коррекции уменьшается, при сигнале "Меньше", наоборот, его величина увеличивается. Если же за Т на выходе нуль-органов 41 и 42 сигнала "1" не было, то триггеры 45 и 46 находятся в "О" и сигнал 71 не вызывает их переключения, величина емкости блока 18 коррекции остается без изменения до следующего такта Т.После включения питания АЦП необходимо время для прогрева элементовсхемы и выхода на установившийся режим, когда выполняется настройка конденсатора 17 в соответствии с величиной С . В дальнейшем период повторе. ания Т,1 практически может составлять единицы минут и более и может задаваться частотой генератора 53 и объемом счетчика 52 импульсов.По окончании тактов Т и Т , антакже выполнения изменения величины 10 емкости блока 18 коррекции (сигнал 76), в преобразователе может начинаться преобразование. Если сигнал 67 пуска АЦП в работу пришел во время выполнения тактов Т, или Тр, то он 15 Мапоминается триггером 55, выходной единичный сигнал 74 которого через элемент ИЛИ 62 формирует сигнал 88 ответа о работе АЦП и разрешает работу элемента И 58. Формирователь 54 20 запускается в работу только по окончании сигналов Т и Т , а при отсутствии их - сразу по сйгналу "Пуск". Импульс этого формирователя проходит через элемент И 58, устанавливает в 25 "0" триггер 55 и поступает на выход блока 37. Этот сигнал 87, являющийся началом преобразования, устанавливает в "1" триггер 21, который выходным сигналом 69 замыкает ключ 5 и 30 включает генератор 35, а также размыкает ключ 6, проходя через элементы ИЛИ 31 и 60 и инвертор 57. Начинается такт Т, интегрирования Б, длительность которого определяется емкостью З 5 счетчика 36, По сигналу 77 переполнения.этого счетчика заканчивается Т и начинается Т, триггер 21 устанавливается в "0", триггер 22 - в "1". Последний с единичного выхода сигнала 70 замыкает ключ 4, подключая Б 1 к интегратору, через элемент ИЛИ 31 поддерживает замкнутым ключ 5 и разрешает работу элемента И 29, через который снятие единичного сигнала 79 45 нуль-органа 13 при появлении нулевого уровня на выходе усилителя 12 устанавливает в "0" триггер 22 и через элемент ИЛИ 32 - в "1" триггер 23.Преобразование заканчивается, в 50 счетчике 36 за Т получен результатхпреобразования Х , передаваемый нар 9шину 40, о чеминформирует сигнал 88 Готовность.В АЦП начинаетсЯ такт Тр РазРЯда 55 конденсаторов 17 и С для подготовкиавыполнения нового преобразования. Если в течение Тр пРишел новый сигнал пуска АЦП в работу (как это показанона фиг.5), то преобразование начнется только после окончания Т какгописано.Для случая, когда за время выполнения преобразования конденсатор 17заряжается на величину, не превышающую кванта, а на нулевом выходе компаратора 14 сигнал отсутствует, т.е.нет необходимости разряжать конденсаторы 17 и С , в схеме АЦП используется формирователь 28, по сигналу которого заканчивается Т Поэтому припереключении триггера 23 в начале Тсигнал с его нулевого выхода запускает формирователь 28, выходной сигнал83 которого проходит через элементыИЛИ 33 и И 30 и устанавливает в "0"триггер 23,С этого момента все сигналы навходах элемента ИЛИ 60 отсутствуют,а инвертор 5 выдает единичный сигнал 84, замыкающий ключ 6, которыйзакорачивает конденсатор 16 и поддерживает его в таком состоянии до прихода сигналов настройки или пускаАЦП в работу,В случаесовпадения прихода этихсигналов они запоминаются триггерами55 и 56 в блоке 37, а формирователь54 запускается послецним отрицательным перепадом этих сигналов, т.к.они проходятчерез элемент ИЛИ 61(сигнал 85). Импульс этого формирователя проходит только через элементИ 59 т,к. работа элемента И 58 запрещена сигналом с нулевого выхода триггера 56, и сначала выполняется настройка конденсатора 17 (такты Т и Т ),н р а затем преобразование входного сигнала (такты Т и Т ).Так, как преобразование в АЦП в течение тактов Т и Т выполняется при настроенной величине емкости конденсатора 17, равной емкости С , то абсорбционный ток конденсатора 16 непрерывно компенсируется током цепи, состоящей из резистора 20 и конденсатора 17, а учитывая, что благодаря настройке разность этих токов сводится к величине, которая за время преобразования не приведет в интеграторе погрешность к погрешности более кванта, то и в полученном результате погрешность от абсорбционного эффекта интегрирующего конденсатора, включая его временной и температурный дрейфы, не превысит кванта АЦП.формула изобретения 1. Интегрирующий аналого-цифровой преобразователь, содержащий первый и второй ключи, информационные входы которых являются соответственно шинами входного и опорного напряжений, а выходы объединены и через первый токоограничивающий элемент на резисторе подсоединены к первому входу1 О операционного усилителя, к входу третьего ключа и первому выводу первого накопительного элемента, выполненного на конденсаторе, второй вывод которого соединен с выходами третьего, четвертого и пятого ключей, первый вывод первого конденсатора объединен с первым выводом второго накопительного элемента, выполненного на конденсаторе, второй вывод которого подключен к входу шестого ключа и к первому выводу второго токоограничивающего элемента на резисторе, нуль-орган, вход которого соединен с входом четверто 25 го ключа и подключен к выходу операционного усилителя, второй вход которого объединен с входом седьмого ключа и является общей шиной, восьмой ключ, вход которого и вход пятого ключа являются соответственно шинамиположительного и отрицательного напряжений питания, первый и второй триггеры, единичные выходы которых подсоединены соответственно к.управляющим входам первого и второго клю чей и к входам первого элемента ИЛИ, выход которого соединен с управляющим входом четвертого ключа, единичный вход второго триггера объединен с нулевым входом первого триггера, 40 а единичный вход первого триггера подключен к первому выходу блока управления, второй выход которого соединен с управляющим входом третьего ключа,. третий и четвертый триггеры, 45 единичный выход первого из которых подсоединен к управляющему входу шестого ключа и к первому входу блока управления, первый и второй формирователи импульсов, вход первого из ко торых соединен с нулевым выходом четвертого триггера, первый элемент И, выход которого подсоединен к первому входу второго элемента ИЛИ, счетчик импульсов, выходы которого являются 55 выходными шинами, и генератор импульсов, о т л и ч а ю щ и й с я тем, что, с целью повышения точности, в него введены компаратор, аналоговыйинвертор, блок коррекции, одновибра-.тор, девятый ключ, третий формирователь импульсов, второй элемент И,третий и четвертый элементы ИЛИ, первый вход компаратора подсоединен квыходам шестого и девятого ключей,второй вход объединен с вторым входомвторого элемента ИЛИ и нулевым входомчетвертого триггера и подключен квыходу второго формирователя импульсов, третий вход компаратора объеди-.нен с управляющими входами шестого ивосьмого ключей и с первыми входамичетвертого элемента ИЛИ и второгоэлемента И, а четвертый вход объединен с входами установки в исходноесостояние с первого по четвертый триггеры и подключен к третьему выходублока управления, первый выход компа-.ратора подключен к первому входу третьего элемента ИЛИ, а второй и третий выходы - соответственно к первомуи второму входам блока коррекции,первый выход которого соединен с входом шестого ключа, а второй выходобъединен с выходом седьмого ключаи подключен к входам третьего и девятого ключей, выход аналогового инвертора подсоединен к второму выводувторого резистора, а вход - к выходампятого и восьмого ключей, вход одновибратора объединен с вторым входомчетвертого элемента ИЛИ и подсоединен к выходу первого формирователяимпульсов, выход четвертого элементаИЛИ соединен с управляющим входомседьмого ключа, а выход одновибратораподсоединен к входу второго формирователя импульсов, управляющие входыпятого и девятого ключеи объединеныс вторым входом блока управления иподключены к единичному выходу четвертого триггера, четвертый выходблока управления подключен к единичному входу четвертого триггера, входтретьего формирователя импульсов подсоединен к нулевому выходу третьеготриггера, а выход - к второму входутретьего элемента ИДИ, выход которогоподключен к второму входу второгоэлемента И, выход которого подсоединен к нулевому входу третьего триггера, единичный вход которого соединенс выходом второго элемента ИЛИ, входгенератора импульсов объединен с третьим входом блока управления и подсоединен к выходу первого элемента ИЛИ5 10 15 20 15 30 35 40 45 50 а выход - к первому входу счетчика импульсов, второй вход и выход переполнения которого соединены соответственно с единичными входами первого и второго триггеров, нулевой вход последнего из которых соединен с выходом первого элемента И, первый и второй входы которого соединены с выходом нуль-органа и единичным выходом второго триггера соответственно,2. Устройство по п.1, о т л и - ч а ю щ е е с я тем, что компаратор выполнен на двух нуль-органах, двух триггерах, двух элементах И и положительном и отрицательном источниках смещения, выходы которых подключены соответственно к первым входам первого и второго нуль-органов, вторые входы которых объединены и являются первым входом компаратора, выход первого нуль-органа подключен к первому входу первого элемента И и является первым выходом компаратора, выход второго нуль-органа соединен с первым входом второго элемента И, второй вуод которого объединен с вторым входом первого элемента И и является вторым входом компаратора, третьим и четвертым входами которого являются нулевые и установочные входы первого и второго триггеров соответственно, единичные входы которых подключены к выходам первого и второго элементов И соответственно, а единичные выходы являются вторым и третьим выходами компаратора соответственно.3. Устройство по п.1, о т л и - ч а ю щ е е й с я тем, что блок коррекции выполнен на реверсивном счетчике, переключающих элементах и накопительных элементах по числу разрядов счетчика, вычитающий и суммирующий входы реверсивного счетчика являются соответственно первым и вторым входами блока, а выходы соединены с соответствующими входами управления переключающих элементов, первые выходы которых объединены и являются вторым выходом блока, первым выходом которого являются вторые выходы переключаюащх элементов и первые выводы накопительных элементов, вторые выводы которых подключены к входам соответствующих переключающих элементов.4. Устройство по п.1, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что блок управления выполнен на генераторе импульсов, счетчике, инверторе, формирователе импульсов, элементе задержки, трех элементах ИЛИ, двух триггерах и первом и втором элементах И, выходы которых являются соответственно первым и четвертым выходами блока, первым и вторым входами которого явля 1 ются первый и второй входы первого элемента ИЛИ, третий вход которого объединен с первым входом второго элемента ИЛИ и является третьим входом блока, вторым выходом которого является выход инвертора, вход которого объединен с первым входом третьего элемента ИЛИ и подключен к выходу первого элемента ИЛИ, второй вход третьего элемента ИЛИ объединен с единичным входом первого триггера и является шиной Пуск, третий вход третьего элемента ИЛИ объединен с единичным входом второго триггера и подключен к выходу переполнения счетчика, счетный вход которого соединен с выходом генератора импульсов, а вход обнуления счетчика объединен с установочным входом первого триггера, соединен через элемент задержки с шиной Включение питания" и является третьим выходом блока, нулевые входы первого и второго триггеров подключены соответственно к выходам первого и второго элементов И, единичный выход второго триггера соединен с первым входом второго элемента И, а нулевой выход - к первому входу первого элемента И, второй вход которого объединен с вторым входом второго элемента И и подключен к выходу формирователя импульсов, вход которого соединен с выходом третьего элемента ИЛИ, единичныи выход первого триггера подключен к третьему входу первого элемента И и второму входу второго элемента ИЛИ, выход которого является шиной "Готовность".12790 б 9 ставитель хред А.Кра пиридоновкКоррект ктор А. Ворови яг Подписное 54 5 Зак и зводственно-полиграфическое предприятие, г. Ужгород, ул. Проектн/ 8 Тир ВНИИПИ Государствен по делам изобре 113035, Москва, Ж, 1 бкомитета СССРй и открытиишская наб д,