Интегрирующий аналого-цифровой преобразователь

СОЮЗ СОВЕТСКИХСОЦИАЛИСТИЧЕСКИХРЕСПУБЛИК 493 151) 5 Н 03 ГОСУДАРСТ 8 ЕННЫЙ КОМИТЕТПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМПРИ ГКНТ СССР ПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕН АВТОРСКОМУ ТЕЛЬСТВУ 0274/24 03.89 03.91. Бил зенский по я к электро реднаэначеочных средст зволяет повы техническии инсСипягин,1 ербаков(53) 681 (56) Мар электрич контроля 1976 э сПатенкл. Н 03 Преобразоват метров для сис ия, - М,: Энер и измере384. т Англии Ф 1417236 Е 13/20, 1972.(21) 46 (22) 09 (46) 07 (71) Пе титут (72) Э, ВЦ Ми Нахов, Н отин и .А ,325.10(08 тяшин А.И еских пара 2 (57) Изобретение относи измерительной технике и но для построения высок измерения. Изобретение сить точность измерения и расширитьобласть применения посредством обеспечения измерения постоянного напряжения произвольной полярности, Поставленная цель достигается тем, что винтегрирующий анало;о "цифровой преобразователь, содержащий операционныеусилители 3 и 4, коммутаторы 1 и 9,интегратор 2, блок 7 управления, преобразователь 8 временного интервала в д, источник 5 опорного тока, вве интегратор 6 и делитель 10 наяжения, 2 з.п. ф-лы, 4 ил.Изобретение относится к электроизмерительцой технике и может быть использовано для построения высокоточных средств измерений,Цель изобретения - повышение точности измерения и расширение областиприменения посредством обеспеченияизмерения постоянного напряженияпроизвольной полярности, ОНа Ьиг. приведена функциональная схема преобразования; ца фиг,2временные диаграммы работы преобразователя; на фиг.3 - функциональнаясхема блока управления; на Фиг,4функциональная схема преобразова"теля временного интервала н код.Преобразователь соедржит коммутатор 1, интегратор 2, операционныеусилители 3 и 4, источник 5 опорного тока, интегратор б, блок 7 управления, преобразователь 8 временного интервала в код, коммутатор 9, делитель 10 напряжения, выполненныйна резисторах, интегратор 2 выполнен на операционном усилителе 11,ключе 12, резисторах 13, конденсаторе 14. Коммутатор 1 выполнен на ключах 15.Блок управления содержит гене 30ратор 1 б опорной частоты, делитель17 частоты, регистр 1 Я сдвига,КЯ-триггеры 19 и 20, элементы ПИ 2126, пормирователь 27 импульсов, элементы И 8-33, элемент ИЧИ 34.Преобразователь временного интервала в код содержит управляемый сумматор 35 накал:инающего типа, элементы 3 б и 37 задержки, ренерсивцыйсчетчик 38 стдрших разрядов, реверсин ный счетчик 3 С младших разрядов, первая группа п+1 элементов И 4 г 11 вторая группа К+1 элементов И 41, гдеи+1 и К+ соответственно число разрядов ренерсивных счетчиков 38 и 39,элементы ИЛ 1 42 и 43,Интегрирующий аналого-питеровойпреобразователь работает следуюимобразом,В момент времени(начало измере 50ния П ) блок 7 на своих первом - шестом управляющих выходах выставляет потенциальные сигналы, обеспечивающиеразмыкание ключей коммутатора 9, ключа 12, ключей 15-2, 15-4 и эдмыкдцие55ключей5-2 и5-1 коммутд гора 1, нрезультате чего цд первый и торой информационные входы интеграторапоступает измеряемое цдряжецие Г, ицдпр 5 жеьце се 1 ченця 1. у соотнетстнел цо, 11 нтегриронагие измеряемого напряжения 11 и напряжения сменения 11 с 1 л ведется н течение интервала времени То/1.,состав.1 яет определеннуи часть образцового интервала времени Т. Сле 1 11 донательцо, цдряжецие в точке а в момент времени т можно записать следуищиь образом,оа("я) - (1 С Псм+ С"+М1 л 01= --- С 1 - постоянная времени иц 1 л+К дтегрдтора 2;111 - собствегцое напряжениесмещения интегратора 2;1 а(с) - напряжение в точке ан момент времениВ момент времени , блок 7, выстанляя соотнетствующие потенциальные уровни а своих первом - шестом управляющих вьходдх, обеспечивает размыкание кли 1 ей коммутатора 9, ключа 1, ключей 15-, 15-1 и 15-4 и замыкд.лие клича 15-3, Следовательно, на первый инЬормдпионньй вход интег(3) М= (с- ) о=Т ло11 апряжение Па(Т ) в мент ьравно 1(:)=(1 а("е) (;г ", точке а н мо 1 1, -- 1,)Т,.Так как коммутаторопераиоццый усилитель нуль-органом, те. выделяет моментрдненстзд нугги напряжен 5 я в точке а(момент времени .). Сигнал с выхо,опердциоцого унизи"оля 3 поступетн бок 7, которыи, в свою очередь,обеспечивает размыкание кючей 15-1,15-;., 15-3 и2 и замька 5 е кличейкоммутатора 9, ключа 5-4, нследсгрдтора поступает опорное напряжение1, интегрирование которого ведется до момента време: 1(в течениеинтервала времени Т 1, кроме того,начидя с момента времени С до момента .по первому информационному выходу блока 7 н преобразователь 8 поступают импу;ьсы опорной частоты Ед,гце они подсчитына.тся счетчиком старших разрядон. Код ., получаемый врезультате этого, равенИ 4) =1 Р(4)+ 3 где 1 Э - собственное напряжение смещения буферного операционного усилителя 3. Тогда, напряжение в точке в рав- но ц(с)-пй) --п (1+к 4+ЭКЭ(9)К з,где 14. - собственное напряжение смещения операционного усилителя 4Напряжение 11(йд) запоминаетсяна емкости интегратора 6. В моментвремени Г 4 заканчивается образцовыйинтервал времени Т. В этот же моментвремени блок 7 обеспечивает размыкание ключей коммутатора 9 и замыкание ключа 12, что приводит к тому,что интегратор 2 сбрасывается, т.е.происходит разряд конденсатора 14,Кроме того, происходит интегрирование вспомогательной опорной величины (тока 1 о 1 интегратором 6, которое заканчивается в момент времени й 4, т,е, момент времени достижения напряжением Б(") пороговогоуровня (в данном случае нулевого).В этот )(е интервал времени 9 С 6-йиз блока 7 по третьему ин 4)ормацйонному выходу в преобразователь 8 поступают импульсы опорной частоты Го,где они подсчитываются счетчиком 39,Код Ч получаемый в результате этого, равен11 фго й о-а)=об. (10) 5 16 вие чего интегрируется собственное напряжение смещения 1 интегратора т,е. можно записатьЪ ("4) 11 Р (С) +;- 1 ото, (5)1Подставляя в выражение (5) значение Па(1) из выражения (4), а затем 1 Р(ГР) из выражения (2), можно записатьТо то Т 1 Па(с 4)= 1 К+ - св- - цо+ЧС а,С, РС,133493 Момент времени 1, т ние интервала времени 6,операционным усилителе;: 4 течение этого интервала в 5 тает как нуль-орган. Сиги операционного усилителя 4 на второй вход блока 7Согласно временной диа, е. окончавыделяется который времени рабоал с выходапоступает грамме можнам записать( (" 4) = (11)СВ момент времени 1 начинаетсявторой цикл преобразования, по длительности равный первому (Т), В момент времени : блок 7 обеспечивает замыкание кл)ча 15-1, а все остальные ключи находятся в разомкнутом сос.тоянии. Таким образом, на второй ин формационный вход интегратора 2 поступает напряжение смещения БсМ, которое интегрируется в течение интервала времени, Следовательно, можно зап)(сать 25Най т) =11 а(С 5)+( -- цсм+ е я)ТО1 1см(12)В момент времени г блок 7 обеспечивает замыкание ключа 15-3 и размыкание ключа 15-1. На первый ин(1)ормационный вход интегратора 2 поступает опорное напряжение -Бо, интегрирование которого продолжается до момента времени 1 (в течение интервала времени ), кроме того, начинаяс момента времени (. до момента времени С по второму информационномувходу блока 7 в преобразователь 8 поступают импульсы опорной частоты Й 40 где они вычитаются в реверсивномсчетчике 38. В результате на выходеданного счетчика с учетом (3) формируется код разности " .интерваловвремени Т и Т, т.с.45 м,=(т-т,) ): (13) Напряжение У(э(1 8) в точке а в мо 1мент времени С равно1 150 цойВ) "а(т) ( - 1 о 7 - 1 о)ТЗ(14)И Работа устройства на интервале времени Т 4, аналогична работе устройства на интервале времени Т,2, поэтому 55можно записатьТо ТэИ ) -- с -о+а1 см ЧСЩ(9) Уа(С 9) (1+ - )+1 (1+ - ) -14(16)К К 4КЭ КЭКроме того, согласно временной диаграмме можно записать 511(Е)=6 я,То6(23) 45 Выбирая ТоКЫ 1 К Э11 оС,(К 4+КЗ )где ш - основание приня;ой системы счисления; К - количество дополнительных младших разрядов, можно записать(24)55 Блок 7 работает следующим образом,В момент времени 1:(, по шине "Пуск" импульс через элемент 34 сбраГ То То , Т ц( )=1 х+ - - "см- -- 1 о+(2 25Начиная с момента временид до момента времени С 4 (интервал времени 6, по четвертому информационному выходу блока 7 в, преобразователь 8 поступает опорная частота Гр, В результате в реверсивном счетчике 39 с учетом (1 О) формируется код (Ч) разности интервалов времени 6 и 6 д,сывает делитель 7 в нулевое состояние, а через элемент 2 устанан шнает регистр 18 в состояние, соответствующее уровню логической "1" на первом его выходе, чта, в сваю очередь, обеспечивает появление высокого потенциального уровня на втором и шестом управляющих выходах блока 7, по окончании временного интервала Т (заданная часть образцового интервала Т) в момент времени ",2 на первом выходе делитепя 17 появлется импульс, который через элемент 21 поступает на тактовый зход регистра 18, Вследствие этаг. на первом выходе регистра 18 сдвига появляется низкий потенциальный .равень, а на второй выход - высокий потенциальный уровень, вследствие чего на пятом управляющем выходе блока 7 устанавливается высокий потенциальный уровень, и, кроме того, открывается элемент И 28 и опорная частота 1.,з поступает на первый информационный выход блока 7. В момент временисигнал с первого входа блока 7 беспечивает сдвиг логической в третий разряд регистра 18, в результате чего на первом и четвертом ныхадах блока 7 формируется высокий потенциальный уровень, а элемент И 28 закрывается. В момент времени с 4 (окончание образцового интервала времени Т) на втором выходе делителя 17 формируется сигнал, двигающий логическую "1" в четвертый разряд регистра 18, Вследствие этого на третьем управляющем выходе блока 7 формируется высокий потенциальныйуровень и, кроме тога, взвадится КБ- триггер 19, высокий потенциальный уровень с. выхода которого открывается элемент И 30 и опорная частота 1 поступает на третий информациойный выход блока 7. Через интервал времени Ьо, необходимый для полного раз(ряда интегратора 2, импульс, Формируемый на третьем выходе делителя 17, обеспечивает сброс через элемент 34 делителя 17 и через элемент 2 сдвиг логической 1 в пятый разряд регистра 18, тем самым обеспечивается высокий потенциальный уровень на шестом управляющем выходе блока 7 (момент времени С, Фиг, 2), В момент времени Ть (Лиг.) сигнал с второго входа блока 7 сбрасывает триггер 19, В момент времени 7 (Лиг.2) импульс с первого выхода елителя 17 через эле 163349 мент 21 поступает на тактовый вход регистра 18, сдвигает логическую "1" в шестой его разряд. Это приводит к тому, что на пятом управляющем выходе блока 7 формируется высокий потенциальный уровень и, кроме того, открывается элемент И 29, через который опорная частота Г с генератора 16 поступает на второй информационный выход блока 7. В момент времени сигнал с первого входа блока 7 через элемент 21 обеспечивает сдвиг логической "1" в седьмой разряд регистра 18, что, в свою очередь, приводит к тому, что на первом и четвертом управляющих выходах блока 7 формируется высокий потенциальный уровень, В момент времени С импульс с второго выхода делителя 17 через элемент 21 20 поступает на тактовый вход регистра 18 и сдвигает логическую "1" в 8-й разряд, это обеспечивает формирование высокого потенциального уровня на третьем управляющем выходе блока 7 ф 25) открытие элемента И 32 - взведение КЯ-триггера 20, высокий потенциальный уровень с выхода которого открывает элемент 31, через который опорная частота Г с генератора 16 поступает на четвертый информационный выход блока 7. В момент времени с на выходе формирователя 27 формируется импульс, поступающий на седьмой управляющий выход блока 7. В момент времени й (фиг.2) на третьем выходе де 35 лителя 17 формируется импульс, обеспечивающий обнуление регистра 18, делителя 17. Кроме того, этот же импульс через открытый элемент 32 и элемент 22 поступает на установочный вход регистра 18, т.е. начинается новый цикл измеренияВ момент времени й ц сигнал с второго входа блока проходит через открытый элемент 33, сбрасывает КБ-триггер 20 и одновременно поступает на восьмой управляющий выход блока 7, Преобразователь 8 временного интервала в код работает следующим образом. Опорная частота Г поступает на суммирующий вход реверсивного счетчика 38 в течение интервала времени Т . В течение интервала времени Т опорная частота Го поступает на вычитающий вход этого же счетчика. В счетчике формируется код Ит, пропорциональный разности интервалов времени (Т 1-Т).Ит (Т Т) Е о (25) 103В момент времени С (Фиг.2) сигнал с первого управляющего входа преобразователя 8 открывает элементы 40и, проходя через элемент 43, обеспечивает запись кода Г 1 т в сумматор 35,если ТТ, в прямом коде, если Т 1(Т,то сигнал с управляющего выхода счетчика 38 обеспечивает перепись кодаИ в сумматор 35 в виде (И + 1),На вычитаюший вход реверсивногосчетчика 39 опорная частота Го поступает в течение интервала времени 8 1, на суммирующий вход - в течение интервала времени 9. В данномсчетчике формируется код 1 1, пропорциональный разности интервалов времени (6- 6),116 (2 б)В момент времени д(фиг.2) сигнал с второго управляющего входа преобразователя 8 о;крывает элементыИ 41 и через элемент 43 обеспечивает запись кода М в сумматор 35. Причем состояние управляющего выходареверсивного счетчика 38 определяетрежим сложения кодов Чт и Му.Если, В,В, то соответственноТ 7 Т, тогда1 = 11 т "1 я (27)Если 86, та сс ответственноТТ , тогда11= (Й +1)+(11 В+1) (28)Таким образом, в момент времени(фиг.2) на выходе сумматора 35 формируется код М, пропорциональныйизменяемому напряжению и содержащийинформацию о знаке этого напряженияв слоем К+(и+1) разряде,Сброссчетчиков 38 и 39 производится сигналом с выходов элементов 36и 37 в моменты времени (С + ) и(Сн +) соответственно,лАнализируя функцию преобразования (24), можно отметить, что исключена погрешность, обусловленная напряжением смещения блока сравненияизвестного преобразователя. Кр;,ме того, использование источника опорногонапряжения позволяет исключить мультиплекативную погрешность, возникающую в результате использования источника опорного тока в известномустройстве. Исключение из цепей интегрирующего конденсатора коммутирующих ключей позволяет ликвидироватьпогрешность преобразования, обусловленную остаточными параметрами этихключей и возможными коммутационными выбросами, а также приводит к упрощейию устройства.Кроме того, устройство позволяет измерять постоянное напряжение смещения (11 сП1 ) .Формула изобретения01. Интегрирующий аналого-цифровой преобразователь, содержащий первый операционный усилитель, первый коммутатор, первый информационный вход которого является шиной нулевого потенциала, второй информационный вход является шиной источника измеряемого напряжения, первый управляющий вход соединен с первым управляющим выходом блока управления, второй управляющий вход соединен с вторым управляющим выходом блока управления, третий управляющий выход которого подключен к установочному входу первого интегратора, четвертый управляющий выход со единен с управляющим входом второго коммутатора, первый выход которого объединен с выходом источником тока, выход первого интегратора подключен к неинвертирующему входу второго опе рационного усилителя, выход которого соединен с первым входом блока управления, первый информационный выход которого подключен к первому информационному входу преобразователя временного интервала в код, выход которого является выходной шиной, о т - л и ч а ю щ и й с я тем, что, с целью повышения точности измерения и расширения области применения за 40 счет обеспечения измерения постоянного напряжения произвольной полярности, в него введены делитель напряжения и второй интегратор, выход которого объединен с инвертирующим вхо дом первого операционного усилителя, выход которого соединен с вторым входом блока управления и первым информационным входом второго коммутатора, второй выход которого непосредственно соединен с инвертирующим входом первого операционного усилителя и через делитель напряжения соединен с инвертирующим входом второго операционного усилителя, выход которого подключен к второму информационному входу второго коммутатора, пятый и шестой управляющие выходы блока управления соединены соответственно с третьим и четвертым управляющими входами первого коммутатора, третий и четвертый информационные входы которого являются соответственно шинами источников опорного напряжения и напряжения смещения, первый и второй выходы первого коммутатора соединены соответственно с первым и вторым информационными входами интегратора, второй, третий и четвертый информационные выходы блока управления подключены соответственно к второму, третьему и четвертому информационным входам преобразователя временного интервала в код, седьмой и восьмой управляющие выходы подключены соответственно к первому и второму управляющим входам преобразователя временного интервала в код, . третий вход блока управления является шинои Пуск2. Преобразователь по и.1, о т - л и ч а ю щ и й с я тем, что блок управления выполнен на делителе частоты, регистре сдвига, первом и втором КБ-триггерах, формирователе импульсов, семи элементах ИЛИ, шести элементах И, генераторе опорной частоты. выход которого подключен к первым входам первого, второго, третьего и четвертого элементов И и счетному входу делителя частоты, первый, второй и третий выходы которого соединены соответственно с первым, вторым и третьим входами первого элемента ИЛИ, выход которого подключен к тактовому входу регистра сдвига, первый выход которого соединен с первым входом второго элемента ИЛИ и является вторым управляющим выходом блока, второй выход соединен с первым входом третьего элемента ИЛИ и вторым входом первого элемента И, третий выход соединен с первым входом четвертого элемента ИЛИ, четвертый выход соединен с первым входом пятого элемента ИЛИ и Б-входом первого КБ-триггера, пятый выход соединен с вторым входом второго элемента ИЛИ, шестой выход соединен с вторым входом третьего элемента ИЛИ и вторым входом второго элемента И, седьмой выход соединен с входом формирователя импульсов и вторым входом четвертого элемента ИЛИ, восьмой выход соединен с вторым входом пятого элемента ИЛИ, с Б-входом второго КБ-триггера и первым входом пятого элемента И, второй вход которого объединен с первым вхо 1416334933дом пятого элемента ИЛИ и подключен к третьему выходу делителя частоты, установочный вход которого соединен с выходом шестого элемента ИЛИ, второй вход которого является третьим5 входом блока и объединен с первым входом седьмого элемента ИЛИ, второй вход которого соединен с выходом пятого элемента И, а выход подключен к установочному входу регистра сдвига, первым входом блока является четвертый вход первого элемента ИЛИ, вторым входом блока является первый вход шестого элемента И, который соединен с К-входом первого КЯ-триггера, выход которого подключен к второму входу третьего элемента И, выход которого является третьим информационным выходом блока, четвертым информационным выходомкоторого является выход четвертого элемента И, второй вход которого объединен с вторым входом шестого элемента И и соединен с выходом второго КБ-триггера, выход шес того элемента И подключен к К-входу второго КЯ-триггера и является восьмым управляющим выходом блока, седьмым управляющим вьг одом которого является выход формирователя импульсов, 30 шестым, пятым и четвертым управляющими выходами блока являются ссответственно выходы второго, третьегс и четвертого элементов ИЛИ, первым и третьим управляющими выходами блока35 являются соответственно выходы четвертого и пятого элементов ИЛИ, первы-, ми и вторыми информационными выходами блока являются соответственно выходы первого и второго элементов И.3. Преобразователь по и,1, о т л ич аю щ и й с я тем, что преобразователь временного интервала в код содержит два элемента задержки, первый и второй реверсивные счетчики, первую группу и+1 элементов И, вторую группу К+1 элементов И, где и+1 и К+1 - число разрядов первого и второго реверсивных счетчиков, д,;а элемента ИЛИ и управляемый сумматор накапливающего типа, выход которого явля 50 ется выходом преобразователя, первым информационным входом которого является суммирующий вход первого реверсивного счетчика, вторым информационным входом является вычитающий входпервого реверсивного счетчика, третьим информационным входом является вычитаюший вход второго реверсивного счетчика, четвертым информационным входом является суммирующий вход второго реверсивного счетчика, первым управляющим входом является вход первого элемента задержки, который соединен с первыми входами элементов И первой группы и+1 элементов И и первым входом первог,. элемента ИЛИ, вторым ,правляюшим входом преобразователя является вод второго элемента задержки, который соединен с первыми входами элементов И второй гр"ппы К+1 элементов И и вторым входом второго элемента ИЛИ, выход которого подключен к входу синхронизации управляемого сумматора накапливающего типа, информационные входь. с пеового цо К-й которого подключены к выходам соответствующих элементов 1 второй группы К+ элементов И, (К+1)-й информационный вход управляемого сумматора накапливающего типа соединен с выходом вто-. рого элемента 1 Л, первый и второй Входы которого соь;:Р-сны соответственно с выходом (К+1; го элемента И второй группы К+ элементов И и выходом первого элемен-,а И первой группы и +1 элементов И, информационные входы с (К+2)-го по (К+и+1)-й управляемого сумматора накапливающего типа соединены соответственно с выходами элементов И с второго по (и+1)-й первой группы п+1 элементов И, управляющий вход соединен с управляющим выходом первого реверсивного счетчика, информационные выходы с первогопо (и+1)-й которого соединенысоответственно с вторыми входами элементов И первой группы и+1 элементов И, вторые входы элементов И второй группы К+1 элементов И соединены с соответствующими выходами второго реверсивного счетчика, установочный вход которого объединен с установочным входом управляемого сумматора накапливающего типа и подключен к выходу второго элемента задержки, выход первого элемента задержки соединен с установочным входом первого ре-,версивного счетчика, 1633493163393 фиг 4 Составитель А.ТитовТехред Л. Олийнык Корректор Н.Рев ка Редактор НЧазаренко Тираж 464 Подлиснае Заказ 622 ВНИ 1 ЕИ Государственн го комитета по изобретениям и открытиям при 1 КИТ з ,Р 113035, Г 1 осква, Е, Рауновская наб., д, 4/5