Способ аналого-цифрового преобразования и устройство для его осуществления
Похожие патенты | МПК / Метки | Текст | Заявка | Код ссылки
Номер патента: 1594692
Автор: Филатов
Текст
(Я)з Н Й КОМИТЕТИ 0 ЧНРЫТИЯМ ОСУДАРСТВЕКНПО ИЗОБРЕТЕНИЯПРИ ГККТ ССО РЕ ТВУ 449901 27,1023,09. Читинс в СО АН, 52. и рис обретение относит ительной технике, нение в измерител для преобразован напряжения в цифр повьппение то к электр жет найт м и ериодичесмпульсных- после ных устря постоя тв ог вои 8/24-2488,90,Бюл, Ф 35кий институт природньСССРилатов5 (088.8)Ю.Р.Справочник по ЦАазователям, 1982, сл 290,В,И, Цифровые измерительтва, 1981. с.210-213,(54) СПОСОБ АНАЛОГО-ЦИФРОВО ГО ПРЕОБРАЗОВАНИЯ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУ ЩЕСТ ВЛЕНИЯ(57) Изобретение относится к электро- измерительной технике и может найти применение в измерительных устройствах для преобразования постоянного напряжения в цифровой код, Изобретение позволяет повысить точность аналого-цифрового преобразования, Это достигается тем, что в способе аналого-цифрового преобразования, включающем преобразование измеряемого и двух опорных, равных по величине и противоположных по знаку, напряжений в периодическую последовательность импульсов, формирование выходного временного интервала, заполнение его импульсами эталонной частотыв периодической последовательностиимпульсов, образованной двумя равными полуциклами, причем в первом полуцикле действуют источники опорныхнапряжений в последовательности отрицательный источник - положительный источник, а во втором полуцикле - измеряемое напряжение, изменяют длительность импульса положительного опорного сигнапа при сохранениидлительности полуцикла, исключаютпостоянную составлякщую, анализируют амплитуду сигнала во втором полуцикле и в момент равенства нулю амплитуды сигнала во втором полуциклепреобразуют длительность импульсаположитепьного опорного сигнапа вцифровой код, Устройство для осу-"ществления способа содержит аналоговый компаратор, генератор опорных им"пульсов, аналоговый мультиплексор,реверсивный двоичный счетчик, источник опорных напряжений положительнойи отрицательной полярностей, цифровой компаратор, три триггера, двоичныи счетчик, блок исключения постоянной составляющей и шину начальной уста новки, 2 с, и 1 з,п,ф-лы, 7 ил,Цель изобретения - ости преобразования,На фиг,1 представлен ая последовательность игналов (а - исходная, 1594 б 92исключения постоянной составляющей9 в - преобразованная); на фиг,2- зависимость длительности импульсаположит ел ьно го о по р но го си гн ал а отвходного измеряемого напряжения; нафиг. 3 - структурная схема устройства,реализующего способна Фиг,4 - блок,исключения постоянной составляющей;на Фиг,5 - временные диаграммы одного цикла аналого-цифрового преобразования; на Фиг,б и 7 - временныедиаграммы процесса преобразованиядля 0 = +11 и Бь= -11 соответственно,Способ осуществляют следующимобразом.Из входного сигнала и двух опорных напряжений формируется с помощьюкоммутатора-мультиплексора импульсная периодическая последователь-ность отрицательный опорный источник, положительный опорный источник,входное измеряемое напряжение, Последовательность состоит иэ двух ровных полуциклов Топ и Тх(фиг,1 а)В первом полуцикле Т д действуют сиг"налы от опорных источников напряжений, сначала отрицательный - Уозатем положительный +11 . Во втоояфр ом полуцикле Т в х - из меряе мое постоянное иапряжение Ц ох (на фиг,1Б принято условно положительным)Ойорные сигналы- -Б и и +11 о, равныпо величине и противоположны познаку, Затем в сформированной последовательности импульсных сигналов .исключается постоянная составляющая,что приводит к сдвигу этой последовательности вниз или вверх относительно нулевой линии (Фиг,16), Ввидутого, что постоянная составляющаяравна нулю, сумма вольт-секундныхплощадей импульсов одной полярностиЯ и Я з будет равна площади импульса другой полярности Я т,е, Я++ Я= Я 1 (Фиг,16). Дальнейшее преобразование последовательности им"пульсных сигналов производится путемизменения времени подключения на входпреобразования положительного опорного сигнала +13 о (в,цальнейшем,широтно-импульсного сигнала То)и одновременно при неизменной величи"не длительности полуцикла Т и, будетменяться длительность отрицательногоопорного сигнала - 11 оп Изменениедлительности Т, и с будет продолжаться до момента получения площади Я, равной нулю (фиг,1 в),что является условием правильного преобразования входного измеряемого напряжения Б в длительность импульса опорного напряжения положительной полярности Тщ,. В преобразованной последовательностиимпульсов Я 1 = Я и согласно Фиг,вопт можно записатьоткудаПоп+ БохТц --- Тцис 2 П оп опВ общем случае, для входных значенийфЬ" х последняя Формула принимаетвидПоп Й БМТ ---- ТМис 2 УопопТаким образом, между временем Тыи сподключения на вход положительногоопорного источника +Поп и входнымизмеряемым напряжением Б х существует линейная зависимость, представленЗО ная на Фиг,2, для которой при Ус,=11 ооди = О при Б ех = О Тшио=Топ/Я. е при П ьх = +П оп Т ю ис = Топ еДлительность Т , преобразованнаяв код(например, подсчетом числаимпульсов), есть представление искомой величины в цифровом смещенномкоде, в котором старший разряд является знаковым,1Таким образом, над входной анапа40 говой величиной выполняются следующие операции: Формирование последовательности - Поп ю +11 оп, +11 вг издвух равных полуциклов Тои Тц , впервом полуцикле -Поп, +Бво вто 45 ром полуцикпе+Уьх, исключение постоянной составляющей из этой последовательности; анализ амплитуды сигналаво втором полуцикле Т на нуль; иэ -менение времени подключения -Б ,50 +Б о т ак, чтобы си гнал во второмполуцикле после исключения в немпостоянной составляющей стал равеннулю (условие правильного преобразования); в этом случае длительность55 действия +Брп информативна и преобразовывается в цифровой код (например, подсчетом числа импульсов этллонной частоты),жение по шине 3. Источники 1 и 2опорного напряжения равны по величинеи противоположны по знаку, Их величи" " 5на определяет верхний предел измеряемого напряжения, Последовательностькоммутации входных источников напряжения и продолжительность их подключения на вход блока 5 обеспечивают поступающие на управляющие входа аналогового мультиплексора 4 выходные уровнис триггеров 11 и 12, Двоичный счет- -.чик 8 производит прямой счет импульсов, поступакщих от генератора 1015 В начале первого полуцикла послеокончания сигнала "Начальная установка" на счетный вход С двоичного счетчика 8 начинают поступать тактовыеимпульсы с генератора 1 О, при этом 20 содержимое счетчика последовательноувеличивается, Нулевое состояниетриггера 11 указывает на первыйполуцикл Т рр, во время которого навход блока 5 исключения постоянной 25 составляющей коммутируются источники1 и 2 опорного напряжения, В началена вход блока 5 через аналоговый муль"типлексор 4 поступает сигнал от отрицательного источника 2 опорного 30 напряжения (-Пр)согласно сигналам,поступающим на управляющие входы 1 и2 мультиплексора, На управляющийвход 1 поступает сигнал с прямогохода триггера 11 полуцнклов, Науправляющий вход 2 поступает сигналс прямого выхода триггера 12 (такимобразом, состочние управляющих входов мультиплексора = 00). Код двоичного счетчика 8 сравнивается цифро вым компаратором 9 с кодом двоичного реверсивного счетчика 7, Придостижении равенства состояний счетчиков цифровой компаратор Формируетсигнал 1, поступающий на вход 1 триг гера 12, и по переднему Фронту очерсдного тактового импульса с генератора 10, поступающему на вход Ссинхронизации, триггер 12 переходитв состояние 1, Тем саьым аналоговый 50 мультиплексор (Упр, 1, Упр, 2=01) коммутирует на вход блока 5 исключения постоянной составляющей сигнал от положительного источника 1 опорного напряжения (+11), После переполнения 55 двоичный счетчик 8 сбрасывается внуль и с выхода переполнения Р уста- .навливает триггер 1 1 по счетномувходу Т в единицу, Сигналом с прямого выхода триггера 11 триггер 12 уста 5 1594692 6Устройство для осуществления способа содержит фиг,3) источники 1 и 2опорного напряжения положительной иотрицательной полярности соответственно, входную шину 3 измеряемо-го напряжения, аналоговый мультиплексор 4, блок 5 исключения постоянной составляющей, аналоговый компаратор б (элемент сравнения с нулем,реверсивный двоичньй счетчик 7,двоичный счетчик 8, цифровойкомпаратоф 9, генератор 10 опорных импульсов, триггеры 11 - 13,выходную шину 14, шины 15 и 16 на-:чальной установки и перегрузки соответственно,Работа аналого-цифрового преобразователя поясняется временной диаграммой, приведенной на фиг,5 (один циклпреобразования)Для приведения отдельных элементов аналого-цифрового преобразователя в исходное состояние на устройство по шине 15 поступает сигнал "Начальная установка"При этом выполняются следукщие действия; происходитсброс триггеров 11 - 13 в нуль повходу К; аналоговый мультиплексор переходит в состояние "Включено" повходу управления 3; двоичный счетчик8 сбрасывается в нуль по входу К;в двоичный реверсивный счетчик 7 повходу предварительной установки РЕс параллельных входов (микросхемаК 564 ИЕ 11) заносится цифровой код сединицей в старшем разряде 1000,0000.0000 (для одиннадцатиразрядногопреобразователя + знак), являющийсяцифровым эквивапентом входного напряжения, равного нулю, выращенный всмещенном коде, где старший разрядзнаковый,Сигнал "Начальная установка" должен обязательно Формироваться послевключения анапого-цифрового преобразователя при подаче на него питания и после установки триггера 13в единицу,Цикл работы анапого-цифрового преобразователя является периодическим ивключает в себя два равных полуцикла, В течение первого полуцикпана вход блока 5 исключения постояннойсоставляющей через аналоговый мультиплексор 4 коммутируются источники1 и 2 опорного напряжения, в течениевторого полуцикла на вход блока 5подается входное измеряемое напря 1594692навлинается в нуль по первому вхоцуК и поддерживается в нулевом состоятнии в течение всего второго полуцикла независимо от сигнала с циФрово 5го компаратора, Двоичный счетчик 8начинает счет от нуля, .Начинается второй полуцикл Те в течение которогона вход блока 5 исключения постояннойсоставляющей подается подлежащее изме рению входное напряжение +И ь (Упр,1,Упр,2=10), Во втором полуцикле аналоговый компаратор 6 Фиксирует отклонение от нуля в 4 (-) поступающий нанего с блока 5 уровень сигнала и выдает потенциальный логический сигнална вход направления счета +/- двоичного реверсивного счетчика 7 дляуменьшения увеличения ) его состояния, В момент второго переполнениядвоичного счетчика триггер 11 пе-реходит в состояние нульи по перепаду с его инверсного выхода, поступающему на счетный вход С двоично"го реверсивного счетчика 7, изменяет состояние последнего на одинмладший разряд в зависимости от выходного состояния аналогового компаратора 6, В результате одного цикла в двоичном реверсивном счетчике 7 Фиксируется код, отличающийся на один младший разряд от,предыдущего кода, И описанная последовательность повторяется,Изменение состояния реверсивногосчетчика в сторону уменыцения (И=35=+И) или увеличения (И х=-И) наодин. младший разряд после каждогоцикла работы аналого-циФрового преобразователя происходит до момента,когда напряжение на входе аналогового компаратора во втором полуциклестанет равным нулю, Состояние двоичного реверсивного счетчика являетсяпредставление длитльс Тыс вциФровом смещенном коде, где старший разряд является знаковым,В последующих циклах работы аналого-циФрового преобразователя происходит слежение эа изменением вход 50ного измеряемого напряжения, Этапслежения заключается в следукщем,Если произойдет изменение входногосигнала И в целом, во втором полуцикле Тпроизойдет отклонение отнуля напряжения на выходе блока 5исключения постоянной составляющей,входе аналогового компаратора 6, Выходной логический сигнал с аналогового компаратора 6 будет указыватьна то, в какую сторону (+ или -)произошло изменение И и в соответствии с этим будет меняться состоя-ние двоичного реверсивного счетчика 7 перепадами, поступающими оттриггера 11, ЦиФровой компаратор будет менять время включенного состояния триггера 12 и, следовательно,время подключения на вход блока 5исключения постоянной составляющей положительного источника 1 опорногонапряжения и одновременно отрицательного источника 2 опорного напряжения, Это приведет к плавному сдвигуимпульсной последовательности внизили вверх относительно нулевой линии,Изменение длительности подключенияна вход опорных сигналов будет продолжаться до тех пор, пока амплитудасигнала на входе аналогового компаратора 6 во втором полуцикле будет снова ранна нулю, 11 ри этом состояние реверсивного счетчика есть искомоепредставление входной величины в двоичном смещенном коде и длительностьподключения +И,1 п на вход линейно связана с И ,Таким образом, циклическая работааналого-циФрового преобразователязаключается после действия сигнала"Начальная установка" в установлении выходного кода, пропорциональноговходному напряжению И, и в дальнейшем в слежении за изменениемвходного напряжения, Количество цик.лов, необходимых для получения кода,пропорционального преобразуемойвеличине, зависит от величиною скачкаДля скачка ЬИ количество цик лов определяется выражениемГЮ ьх Имл где ИмЛ - напряжение младшего разрядацмФрового кода.На Фиг,6 приведена временная диаграмма на входе и выходе блока 5 иск-: лючения постоянной составляющей при изменении длительности подключения на вход источников опорного напряжения после действия сигнала "Начальная установка" до момента установления соответствия между И и длительностью Т ц (напряжение на входе аналогового компаратора равно нулю во втором полуцикле), если 11 х щ= +Б. ДиагРамма для случая Ц щ -иприведена на фиг, 7, В устройстве;конкретный анализ амплитуды сигналабез пострянной составляющей на входеаналогового компаратора во втором полуцикле и изменение длительности подключения опорных источников происходит так: если амплитуда положи-.тельная, то время подключения +Поп 10увеличивается и, если амплитуда отрицательная, то, время подключения+Поп уменьшается,В устройстве аналого-цифровогопреобразователя применен блок исключения постоянной составляющей фиг.4на основе КС-цепи, который представляет собой усилитель (или повторитель)импульсного сигнала с исключениемв выходном сигнале постоянной составляющей и вносящий минимальные искажения в форму передаваемого импульса,Передача с минимальными искажениямиимпульсного сигнала через блок исключения постоянной составляющей должнаобеспечиваться применением операционного усилителя ОУ с большой скоростью нарастания выходного сигнала(спад вершины импульсного сигнала),Цепи коррекции ОУ должны быть подобраны на отсутствие выбросов напряжения в сигнале.В конкретной разработке аналогоцифрового преобразователя применен-ОУ 544 УД 2 А с минимальной скоростьюнарастания 30 в/мкс (Ппцт = 12 В),КС-цепь выбирается из относительноД 11го спада вершины импульса= в - 40ПДля одиннадцатиразрядного аналогоцифрового преобразователя (12-й разРяд знаковый) Поп + Бвх Т В Е риис 211ои ф оп1 Т2048 2 КС г.Следовательно, информативная длительность выходного импульса не зависит от величины усиления нулевой метод). Б связи с этим мультиппика-. тивная составляющая систематической погрешности преобраЗования зависит только от стабильности абсолютных величин опорных источников напряжения и не зависит от коэффициента передачи измерительного тракта, Кроме того, на погрешности преобразования не сказываются медленные изменения Предварительное усиление сигнала выполняется для повышения точности работы аналогового компаратора, Коэффициент усиления должен выбираться таким, чтобы усиление сигнала проходило в линейной области, Длительность полуциклов конкретно определя-, ют из следующих соображений. С одной стороны, при увеличении длительности исходят иэ условия передачи импульсных сигналов через блок исключения постоянной составляющей с минимальным сколом вершины импульсов, С другой стороны, при уменьшении длительности полуциклов исходят из быстродействия микросхем, из которых состоит устройство,Использование изббретения позволяет повысить точность преобразования,В известных аналого-цифровых преобразователях за счет неидеальностисвойств отдельных узлов присутствуетаддитивная составляющая систематической погрешности, погрешность сдвигануля Е Ав , Ввиду того, что в предлагаемом устройстве имеется блокисключения постоянной составляющей,Е не сказывается на точности измерения, так как в сравнении на аналоговом компараторе участвует толькопеременная составлянщая сигналов, Вэтом случае погрешность нуля преобразователя в целом состоит из напряжения смещения компаратора и . еготемпературного дрейфа, что оказывает меньший вклад в погрешность преобразования. На погрешностьпреобразования не влияет коэффициент передачи измерительного тракта,что важно при измерении мапых сигналов, При этом нет необходимости в дополнительной коррекции усиления измерительного тракта. Нечувствительность преобразователя к коэффициентупередачи следует из формулы преобразования входного сигнала в длительность импульса, Если входные сигналы подвергаются усилению в К раз, тов этом случае формула преобразованияпринимает вид КлопЪх) Т Т ыис 2 К П оп25 частоты опорного генератора, таккак в этом случае пропорционально меняются Тдс и Т., я, т.е, остаетсяпостоянным отношение Т, ,/Т и . Формула изобретения 1, Способ аналого-цифрового преобразования постоянного напряжения, основанный на периодическом формировании равных по величине последовательных отрицательного и положительного опорных напряжений, формировании входного напряжения, формирова-" нии пропорционального входному напряжению временного интервала с последующим определением его кода путем подсчета числа заполняющих импульсов Эталннй асты, о т л и ч а ю щ и й с я тем, что, с целью повышения точности преобразования, формиро.вание в первом периоде последовательных отрицательного и положительного опорных напряжений осуществляют каждое длительностью, равной четверти периода, а формирование входного напряжения - длительностью, равной второй половине периода, после чего осуществляют формирование разностного сигнала путем вычитания иэ сформированных Опорных и входного напряжеНий постоянной составляющей, в соответствии с величиной которого в каждом предыдущем периоде изменяют длительность формирования, последователь" ных отрицательного и положительного опорных напряжений в каждом последующем периоде до момента равенства разНостного си Гнал а нулюпри этОм при 4 ООпределении кода временного интерва.па используют код длительности сформированного в последнем периоде положительного опорного напряжения,2, Устройство для аналого-цифрово го преобразования, содержащее аналоговый компаратор, генератор опорных лмпульсов, аналоговый мультиплексор, реверсивный двоичный счетчик, 1 лсточники опорных напряжений положительной и отрицательной полярности,выходы которых соединены с первым н вторым информационными входами аналогового мультиплексора, о т л и " ч а ю щ е е с я тем, что в него введены цифровой компаратор, три триггера, двоичный счетчик, блок исключения постоянной составляющей, :вход которого соединен с выходом аналогового мультиплексора, а выход - с первым входом аналоговогокомпараторавторой вход которогосоединен с общей шиной, а выход аналогового компаратора соединен свходом направления счета. реверсивного двоичного счетчика, первый и второй входы цифрового компаратора соединены соответственно с первыми выходами двоичного счетчика и реверсивногодвоичного счетчика, который являетсявыходной шиной, а выход цифровогокомпаратора соединен с входом установки в "1" первого триггера, вход синхронизации которого объединен сосчетным входом двоичного счетчика исоединен с выходом генератора опорных импульсов, счетный вход реверсивного двоичного счетчика соединен синверсным выходом второго триггера,прямой выход которого соединен с первым управляющим входом аналоговогомультиплексора и первым входом уста-.новки в ВОн первого триггера, выходкоторого соединен с вторым управляющим входом аналогового мультиплексора, третий информационный вход которого является входной шиной, счетный вход второго триггера соединенс выходом переполнения двоичного счетчика, третий управляющий вход мультиплексора, входы установки в "О" двоичного счетчика второго и третьеготриггеров, второй вход установки в"О" первого триггера, вход предварительной установки реверсивного двоичного счетчика являются шиной началь-тной установки, выход переполнения реверсивного двоичного счетчика соединен с выходом установки в "1" третьего триггера, выход которого являетсяшиной сигнала перегрузки. 3, Устройство по п,2, о т л ич а ю щ е е с я тем, что блок исключения постоянной составляющей выполнен на трех резисторах, конденсаторе и операционном усилителе, неинвертирующий вход которого является входом блока и объединен с первым выводом первого резистора, второй вывод которого соединен с общей шиной, а инвертирующий вход операционного усилителя объединен с первыми выводами второго и третьего резисторов, второй вывод последнего иэ которых соединен с выходом операционного уси.1;теля и является выходом блока, а13 1594692 14второй вывод второго резистора саеди- рой вывод которого является нулевой нен с первым выводом конденсатора,вто- щиной,-/Йп/ф/ г.7 Составитель В.МахнановЗайцева Техред Л,Олийнык Корректор О,акто Тираж 6 Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород,агарина, 10 аказ 283НИИПИ Го ственного комитета 113035, Москва, И Под пи с но епо изобретениям и открытиям при ГКНТ ССС
СмотретьЗаявка
4499018, 27.10.1988
ЧИТИНСКИЙ ИНСТИТУТ ПРИРОДНЫХ РЕСУРСОВ СО АН СССР
ФИЛАТОВ АЛЕКСАНДР ВЛАДИМИРОВИЧ
МПК / Метки
МПК: H03M 1/48
Метки: аналого-цифрового, преобразования
Опубликовано: 23.09.1990
Код ссылки
<a href="https://patents.su/9-1594692-sposob-analogo-cifrovogo-preobrazovaniya-i-ustrojjstvo-dlya-ego-osushhestvleniya.html" target="_blank" rel="follow" title="База патентов СССР">Способ аналого-цифрового преобразования и устройство для его осуществления</a>
Предыдущий патент: Следящий аналого-цифровой преобразователь
Следующий патент: Двухотсчетный преобразователь угла поворота вала в код
Случайный патент: Электрогидравлическая система совмещенного управления