Интегрирующий аналого-цифровой преобразователь

в,Автоматические Киев: Виша шко ьство СССР1/52, 1980,АЛОГО-ЦИФРОВОЙ ктротьточике и можетоздания высоустройств ил стУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ СССРДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТИИ(57) Изобретение относится к эизмерительной техниспользовано для сных измерительных ройств, предназначенных для работыв тяжелых климатических условиях.Целью изобретения является повышениеточности преобразования. Введениеновых узлов - первого 1 и второго 2переключателей, дифференциальногоусилителя 5, ключей 3, 4, 18 и 9,а также изменение алгоритма работы -воспроизведение многократного повторения частных циклов в течение полного цикла преобразования и нахождение результата преобразования заполньп цикл как суммы разностей интервалов времени в частных циклах,позволило значительно повысить точность, Введение третьего конденсатора позволило разнести в пространствепроцессы преобразования в четном,инечетном частных циклах. 2 з.п. ф-лы1 131445Изобретение относится к электроизмерительной технике и может бытьиспользовано для построения прецизионных цифровых средств измерения.1 ель изобретения - повышение точности,На фиг. 1 приведена функциональная схема устройства; на фиг. 2 и3 - временные диаграммы работы устройства; на фиг, 4 - его амплитудночастотная характеристика; нафиг. 5конструкция устройства управления,Устройство (фиг, 1) содержит переключатели 1 и 2, ключи 3 и 4, дифференциальный усилитель 5, интеграторы 6 и 7, неинвертирующий усилитель 8, нуль-орган 9, генератор 10тактовых импульсов, устройство 11управления и преобразователь 12 временных интервалов в код, ключ 13 20причем интегратор б состоит из резисторов 14, 14 и 14 ь конденсатора15, операционного усилителя 16, интегратор 7 - из резисторов 17 и 17ключей 18-20, конденсаторов 21 и 21,операционного усилителя 23,Устройство 11 управления (Фиг. 5)содержит делители 24-26 частоты, формирователи 27 и 28 импульсов, счетчик 29 импульсов, КБ-триггер 30 инверторы 31-34, элементы ИЛИ 35 и 36,элементы И 37 и 38, выход последнегоиз которых является вторым входомустройства управления, первый входустройства управления объединен с 35входом делителя 24 частоты, выходэлемента 37 янляетея восьмым выходомустройства управления, выход иннертора 34 является третьим выходом устройства управления, выход делителя 40.25 частоты является пятым выходомустройства управления. Выход делителя 26 частоты является шестым выходом устройства упранления, вход Формирователя 27 импульсон является нторым входом устройства управления,выходы элементов ИЛИ 35 и 36 являются четвертым и седьмым выходами устройства управления соответственно,выход инвертора 31 является первым 50выходом устройства управления.Работа устройства осуществляется.следующим Образом,Полный цикл преобразования Т состоит иэ частных циклов Тц = 2 Тц, 55Рассмотрим сначала процесс преобразования за один частный -й цикл Тц,.Начиная с момента времени 1 посигналу с устройства 11 управления(- ) - Е (, - )- Н С о Р С 1 о 24 (+, ) + де П ное напряжение яжение смещения оказывающее дейО);ОУ ино- нап тора 7, зультат ом б тол тн ге на р рато ключ стоя интегрирования ько за время, к нтег 13 аии; ится н разомкн Б 4 (Б 4 +Р ); 8 2переключатели,1 и 2 находятся н положениях, показанных на фиг, 1, и на выходе дифференциального усилителя 5 с коэФФициентом усиления, равным н данном случае 1, формируется преобразуемое напряжение ,1(1) положительной полярности (эпюра а, фиг. 2). Для простоты (без ограничения общности получаемьгх далее Формул) примем что напряжение П(1) постоянно в течение частного цикла преобразования и равно П.В интервале 1 ; г 1 ключ 13 находится в разомкнутом состоянии. К входам интегратора 6 подаются выходное напряжение дифференциального усилителя 5, опорное напряжение По и напряжение смещения е (г,) интег 2 нратора 7. Кроме того, на результат интегрирования влияет собственное смещение е(1) операционного усилителя (ОУ) интегратора 6. Примем, что напряжения смещения дифференциального усилителя и ОУ интеграторов за времена частных циклов Т ц не меняют своих значений. Поэтому при выводе функции преобразования вместо обозначений е(С), е , е еи К(+) будем использовать обозначения е, е, е еи Е (Е - напряжение смещения дифференциального усилителя 5),= Т /2 представляет соо Цбой четверть цикла преобразования,а Тц, - половину частного цикла преобразования.В этот же момент по сигналу сустройства 1 управления замыкаетсяключ 13 и выходное напряжение отрицательной полярности неинвертирующего усилителя 8 поступает на третийвход интегратора 6 и первый вход ин- Отегратора 7,К моменту времени йение По 1 14 ЕК 145- в 1 с -т ) 41 с -с ) -2 О1142 14, -- И-с,) +Е 2 Н К 141414 З 17,) (1 о) напряж достиг ыходе интегратораения на вэначс)в = "в(1)(е14 в тече ие времени С- И нием для Уоса выходе ключа определяютщая площадь 3: выр 4 С 1Е 1 Ь гнала,. т,14,С 15 где е 1 с К 1 2 142 14 В 17 30 учитывая что С - й ф Т3 о ц1с = Т,/2В момент С 1 по сигналу с устройства 1 управления замыкаются ключи3 и 18 и размыкаются 4 и 19. Сигнал 35 с выхода ключа 13 поступает в течение интервала С ; 1 В на интегратор7, который к моменту 1 имеет некоторое начальное напряжение. Причемэто начальное напряжение имеет место 40 во всех частных циклах, кроме первого, перед началом которого интегратору 7 принудительно задаются нулевые начальные условия посредствомодновременного замыкания ключей 18, 45 19 и 20 на короткое время, достаточное для полного разряда конденсаторов 21 и 22. В результате напряжениена выходе интегратора 7 к моментувремени С достигает значенияз Н 114 д е Ь014 В 4,о )-) х В 14 о ос 7717 1з)171 на выходливается на Начиная с моментегратора 6 устание Бо Тч+ 7 С 21 2 55 1) 1 ос( о 2) и(е) = "; еъ Пос Кв Площадь импульса на в течение времени07 + В 11 ) ТЧ 1В 17 С 2 уходе ключа В 141114 в В 14 Н 17 1, 1417,ос - напряженйе на выходе ключа 13 в интервале от 1 до 1 когда оно остается постоянным и равным (за вычетом падения напряжения на замкнуто ключе) напряжению насыщения усилителя 8 (эпюра с, фиг, 2).В момент времени 12 усилитель 8 выходит из насыщения и начинает действовать обратная отрицательная связь (ООС) через замкнутый ключ 13 и резистор 14 о охватывающая последовательно включенные интегратор 6, усилитель 8 и ключ 13. Постоянная времени этого апериодического звена равна В 14 С /КВ где К 8 - коэффици 14ент усиления усилителя 8. По окончании переходного процесса который длится весьма короткое время, в рассматриваемой системе устанавливается напряжение обратной связи о1,-,)- 1,-с,) -К 14(С) =П(С нечетных гнь уциклов роце сывающе Уравнение, опипреобразования вном нечетном полуот всех предшествчто длительностьрочена, вследствисовая функция(фигния) отличается о ем и- отлич осл часттся икле ем равнениолуциклреальн у а уко я ве -то е чего 3 б,т идеалплошн ной ( Такое Кния фиге 3овой функцииней постоян иска к по ирн ение ве влению в составляюодного полного в предела остаточно реальной ой практи ени подав циклциклотлич велико, указанное весовой функции о ески мало скажетс иде аль на сте ия низкочастотных внут жени них шум смещения ом числ нтервала го сред- напрямарног льность Тн пропорциональ ению преобразуемо эа время нечетных и А на нему жени частных еобразо го цикл икл полуцвани ь н 1,. 5 и,Руф ВИ 1 Вле 1 и йм где П - начальное напряжение дляНН 1нечетного полуцикла частного 1-го цикла преобразования.Начальное напряжение для 1-го цикла преобразования соответствует конечному значению напряжения для (1- 1)-го цикла. Это напряжение представляет собой выходное напряжение интегратора 7 в момент окончания нечетного полуцикла (-1)-го частного/10 цикла преобразов ания.После момента С ,ключ 13 раэмыка 3ется по команде с устройства управления и на интегратор 7 поступает опорное напряжение П и напряжение ео н смещения ОУ интегратора 6. Поэтому на интервале времени Сз, С напряжение на выходе интегратора 7 изменяется по закону ие по напряжению ОУияюцее на результатнтегратором 7 за вре 3 находится в разомкгде е,ц, - смещен 30 интегратора 6, влинтегрирования имя, когда ключ 1нутом состоянии,В момент времени С выходное напряжение интегратора 7 переходит нулевой уровень, в результате чего выходное напряжение нуль-органа 9 изменяет свою полярность. Соответствующий сигнал поступает на устройство 11 управления, которое в этот момент замыкает ключ 4 и размыкает 3. Благодаря этому интегратором 7 интегрируется напряжение смещения е и собственное напряжение смещения е. Таким образом, к моменту времени С .на интегрирующем конденсаторе 2 накапливается напряжение Б я; - конечное для нечетного -го полуцикла преобразования, соответствующее начальному напряжению Пнн,для (+1)- го нечетного полуцикла. В момент Сс учетом С - С = ЬТщП 11 Бм, ЕЬИ,Р 1,еЫ 4 Ти 11 е 1 н Б 43111 щеи и, как следствие, к неполному подавлению напряжений е и е, сме щения интеграторов. днако, если количество частных ьТ = - Т + А +1314458 кк ннТ 4 ) к 1"+А. +, к - "В 1 )-ен В 1114 1 т,лител ормативного интер- ед 5ь ть и ию 1 Гзаразовани раэност Тннф = д Тн - дТ 1 О В 4 В 1,накопл 7т) ) кк(В Я,В, )- В В течение четного полуцикла -го частного цикла преобразования в момент времени 1 ло сигналу с устрой 3ства 11 управления изменяется состояние переключателей 1 и 2 и размыкается ключ 13. В результате на вывыходе дифференциального усилителя 5 формируется преобразуемое напряжение отрицательной полярности и начинается четный -й частный цикл преобразования. В момент времени 1 происходит смена состояний ключей 18 и 19, конденсатор 21 отключается от выхода интегратора 7 и хранит напряжение 11 н; конечное для нечетного 1-го частного полуцикла, а конденсатор 22 вторсй обкладкой подключается к выходу интератора 7. Процесс преобразования, происходящий в четном полуцикле, подобен процессу, имеющему место в нечетном полуцикле. С учетом смены знаков преобразуемого напряжения суммарный интервал времени, пропорциональный среднему значению 11 за время четных полуциклов, определяется выражением ПП, В,В 11,4 к. 11 В В Тц, +04 11 вала времени, пр порционального срнему значен время полногоцикла преоб я Т, может бытнайдена как ь 10 15 20 25 30 35 40 45 е. (В +В.,+В,1 )-еВВидно, что погрешность преобраэо вания за полный цикл определяется только разностью результатов интегрирования дрейфов ОУ интеграторов за информативный интервал времени д Т, в нечетном и за Т - в четном получициклах последнего п-го частного цикла преобразования. Укаэанная погрешность может быть уменьшена увеличением числа п частных циклов Т в течение полного цикла преобразования Т . Введение в устройство многократ)ного повторения частных циклов Т ц, (фиг, За) практическиозначает реализацию в нем весовой функции (ВФ), вид которой показан на фиг3 б. Применение таких ВФ позволяет эффективно бороться не только с постоянным напряжением смешения, но и с собственными шумами элементов схемы.Уменьшение влияния собственных шумов элементов схемы иллюстрируется графическими зависимостями на фиг, 4. Пунктирная линия соответствует амплитудно-частотной характеристике (АЧХ) преобразователя обычного двухтактного интегрирования, кривые 1 и 2 представляют собой АЧХ преобразователя, реализующего ВФ (фиг. 3 б), с числом частных циклов преобразования, равным четырем и восьми, С увеличением п числа частных циклов в течение полного цикла преобразования Т площадь, ограниченная кривой, соответствующей АЧХ преобразователя, реализующего по отношению к собственным шумам названную вьппе ВФ, значительно уменьшается. Поскольку мощность шумов на выходе преобразователя пропорциональна квадрату данной площади, то значительно уменьшается и влияние шумов на результат преобразования, По отношению к последнему сигналу в схеме реализуется обычная прямоугольная ВФ, т.е. ВФ, равная 1 на интервале Т полного цикла преобразования. Однако при реализации указанных ВФ в реальных устройствах в каждом цикле преобразования присутствует погрешность квантования, При этом возможноение погрешности квантованиядля исключения которой опорное напрякение отключают от входа интегратора 7 в момент прихода первого квантующего импульса после момента равенства нулю накапливаемого на интеграторе напряжения,Преобразователь интервалов времени в код представляет собой обычныйреверсивный счетчик необходимой емкости, который устанавливается внуль в конце цикла преобразованияТ тем же сигналом, который управляет работой ключа 20, на его счетныйвход поступают пачки импульсов, соответствующих значениям информативных интервалов времени 6 Тц, и ЛТС седьмого и шестого выходов устройства 11 управления поступают сигналы,управляющие реверсом данного счетчика.Формула изобретения1. Интегрирующий аналого-цифровой преобразователь напряжения, содержащий два интегратора, неинвертирующий усилитель, два ключа, нуль-орган, генератор тактовыхимпульсов и устройство управления, первый вход которого соединен с выходом генератора тактовых импульсов, а второй - с выходом нуль-органа, первый вход первого интегратора является шиной опорного напряжения, выход первого интегратора соединен с входом неинвертирующего усилителя, выход которого через первый ключ соединен с вторым входом первого и первым входом информационным второго интеграторов, выход последнего соединен с первым входом нуль-органа, второй вход которого подключен к общей шине, управляющий вход первого ключа соединен с первым выходом устройства управления, второй выход которого соединен с управляющим входом второго ключа, выход которого подключен к второму информационному входу второго интегратора, о т л ич а ю щ и й с я тем, что, с целью повышения точности, в него введены дифференциальный усилитель, третий, четвертый ключи, преобразователь временных интервалов в код, первый и второй переключатели, первые входы которых объединены и являются шиной преобразуемого сигнала, вторые входы соединены с общей шиной, а выходы подключены соответственно к первомуи второму входам дифференциальногоусилителя, выход которого соединенс третьим входом первого интегратора,при этом третий информационный входвторого интегратора через третийключ соединен с шиной опорного напряжения, а через четвертый ключ - с общей шиной, управляющие входы третье го и четвертого ключей подключенысоответственно к третьему и четвертому выходам устройства управления,пятый выход которого соединен с управляющими входами первого и второгопереключателей, шестой и седьмой выходы устройства управления соединенысоответственно с первым и вторым управляющими входами второго интегратора и первым и вторым входами пре образователя интервалов времени вкод, третий вход которого соединенс восьмым выходом устройства управления, выход является выходной шиной,а четвертый вход подключен к второмувыходу устройства управления, информационный вход второго ключа соединен с выходом второго интегратора.2. Преобразователь по и. 1, о тл и ч а ю щ и й с я тем, что втоЗ 0 рой интегратор выполнен на операционном усилителе, двух резисторах, двухключах и двух конденсаторах, первыевыводы которых объединены и соединены с инвертирующим входом операцион ного усилителя, который соединен спервыми выводами первого и второго резисторов, вторые выводырезисторов являются соответственнопервым и третьим информационными входами интегратора, информационные входы ключей подключены к выходу операционного усилителя, являющегося выходом интегратора, выходы первого ивторого ключа подключены соответственно к вторым выводам первого ивторого конденсатора, инвертирующийвход операционного усилителя являетсявторым информационным входом интегратора, управляющие входы ключей 50являются соответственно первым и вторым управляющими входами интегратора,а неинвертирующий вход операционногоусилителя соединен с общей шиной,Э. Преобразователь по п. 1, о тл и ч а ю щ и й с я тем, что устройство управления выполнено на первом, втором, третьем делителях частоты, первом и втором формирователях10 20 импульсов, счетчике импульсов, ВЯтриггере, первом, втором, третьем ичетвертом инверторах, первом, второмэлементах ИЛИ, первом и втором элементах И, выход первого из которыхявляется вторым выходом устройствауправления, первым входом устройствауправления являются вход первого делителя частоты и первый вход второгоэлемента И, выход которого являетсявосьмым выходом устройства управления,выход первого делителя частоты соединен с входами первого инвертора,второго делителя частоты, первогоформирователя импульсов и счетчикаимпульсов, выход которого, через второй инвертор соединен с первым входом первого элемента И, второй входкоторого соединен с выходом третьегоинвертора и является третьим выходомустройсФва управления, выход второгоделителя частоты является пятым выходом устройства управления, выход первого инвертора является первымвыходом устройства управления и соединен с входом третьего делителячастоты и первым входом первого элемента ИЛИ, второй вход которого соединен с прямым выходом ВЯ-триггера иобъединен с вторым входом второгоэлемента И, выход третьего делителячастоты является шестым выходом устройства управления и через четвертыйинвертор соединен с первым входомвторого элемента ИЛИ, второй выходкоторого соединен с выходом первогоэлемента И, Б-вход ВЯ-триггера соединен с выходом первого формирователяимпульсов, а Б-вход через второй формирователь импульсов является вторым входом устройства управления, выходпервого элемента ИЛИ соединен с входом третьего инвертора, выходы перво" го и второго элементов ИЛИ являются седьмым и четвертым выходами устройства управления соответственно., 4 И Производственно-полиграфическое предприятие, г. Ужгород, ул, Проектная,Юю фВ 7 Тираж 901 ВНИИПИ Государств по делам изобре 113035, Москва, Ж