Аналого-цифровой преобразователь

Аналого-цифровой преобразователь

Иллюстрации

Показать все

Реферат

 

Изобретение относится к облас-i ти импульсной техники, в частности к преобразователям напряжения в цифровой код с промежуточным преобразователем напряжения в частоту импульсов , может быть использовано в прецизионных устройствах сбора аналоговой информации систем контроля и управления технологическими процессами и является усовершенствованием устройства по авт. св. № 486473. Целью изобретения является повьш1€ние точности преобразователя.,, Для этого в АЦП введены делитель тока, регистр, триггер, два одновибратора, два формиройателя импульсов и элементы И, ИЛИ, благодаря которым в АЦП выполняется взаимосинхронизация импульсов , уменьшается квант преобразования и тем самым повьш1ается точность .АЦП. 2 ил. i О)

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК

А2 (59 4 Н 03 М 1/60

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Н ABTOPCHOIVIY СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ (61) 486473 (21) 4141740/24-24 (22) 30.10.86 (46) 15.04.88. Бюл. - 14 (71) Всесоюзный научно-исследовательский институт электромеханики (72) З.Г.Баранова и Л.И.Лукьянов (53) 681.325(088.8) (56) Прянишников В.А. Интегрирующие цифровые вольтметры постоянного тока.

M. Энергия, 1976, с. 169.

Авторское свидетельство СССР

N - 486473, кл. Н 03 M 1/60, 1973. (54) АНАЛОГО-ЦИФРОВОЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ (57) Изобретение относится к облас-, ти импульсной техники, в частности к преобразователям напряжения в циф„SU» 1388989 ровой код с промежуточным преобразователем напряжения в частоту импульсов, может быть использовано в прецизионных устройствах сбора аналоговой информации систем контроля и управления технологическими процессами и является усовершенствованием устройства по авт. св. У 486473. Целью изобретения является повышение точности преобразователя., Для этого в

АЦП введены делитель тока, регистр, триггер, два одновибратора, два формирователя импульсов и элементы И, ИЛИ, благодаря которым в АЦП выполняется взаимосинхронизация импульсов, уменьшается квант преобразования и тем самым повышается точность

АЦП. 2 ил, 1388989

Изобретение относится к импульсноо и технике, в частности преобразователям напряжения в цифровой код с промежуточным преобразованием в частоту импульсов, и является дополнительным к авт. св. СССР У 486473. .Цель изобретения — повышение точности.

На фиг. 1 изображена блок-схема

АДП; на фиг. 2 — временная диаграмм,а работы АЦП.

Устройство содержит входную шину

1, шину 2 эталонного 11, напряжения и

m ну 3 сигнала пуска в работу, выходные шины 4 кода результата преоб(А разования, счетчик 5 формирования временнога интервала, реверсивный счетчик 6, генератор 7 эталонной частот, управляемый генератор (УГ) 8, делитель 9 тока, регис.тр 10, двухпозиционный аналоговый ключ 11, триггер 12 такта, триггер 13 цикла, дополнительный триггер 14, одновибратор 15 гашения, одновибратор 16 временной задержки, дополнительные одновибраторы 17 и 18, формирователи

19 и 20 импульсов, элементы И 21-26, элементы ИЛИ 27, группу элементов

ИДИ 28, элементы ИЛИ 29 и 30 и дешиф- 30 ратор 31 нулевого кода.

При этом реверсивный счетчик 6 еет и двоичных разрядов с емкостью

В счетчике 5 число двоичных разрядов увеличено на 1,(Я=2 ) и его ем! к ость равна N=2 =N, Q, он имеет Р М

1 о

P ь ладших разрядов с емкостью Р =2 а в старших (nt.q-Р) разрядах и в саМом младшем разряде входы дпя записи кода "1". Регистр 10 имеет Р+1 двоичный разряд.

Делитель 9 тока осуществляет преобразование U, в ток T P /N с цифро ЧГр вым управлением, наибольшая величина

11о

1 составляет частоту тока — о, т.е. 45

РР 0о

Й э

Этот делитель может быть

N R выполнен, например, на основе R-разрядной резистивной матрицы типа 2R—

P, — 2В. В этой матрице резистор 2R каждого разряда подсоединяется к выходу или к нулевому напряжению с помощью разрядных переключателей при подаче на их входы соответственно

ll It 11 tt сигналов 1 или 0 . Если оконечный резистор 2R младшего разряда не подсоединен к нулевому напряжению и имеет дополнительный выход, этот выход необходимо подсоединить к дополнительному персключателю (Р+1) разряда, аналогично переключателям разрядов матрицы, а вход матрицы соединить с входом делителя через резисN-Р, тор с величиной R -- — . Так как

Р вход делителя 9 соединен с 11, то на его выходе в зависимости от входного кода формируется ток от 0 до 1 „ соответственно для кодов "0" и во всех разрядах, включая P+1. Изменение I происходит с величиной кван1 та i = †- при изменении входного

R N кода на единицу.

В двухпозиционном аналоговом ключе

11 величина резистора увеличена и

"N равна R(- †-). При отсутствии сигнала

N-P

Р на управляющем входе этот резистор подключен к U и на вход УГ 8 постуU, P пает ток I - =- -(1- - ), а при наличии ьо Р N управляющего сигнала резистор подключен к U„è обеспечивает ток Х =

ttx

= в"-(- й- )

Генератор 7 имеет частоту f которая по сравнению с прототипом увеличена в 4 раз. Так как счетчик 5 имеет емкость И=Q N,, то формируемая длительность первого такта равна

М

T - =— . В генераторе 7 имеется два о входа, первый для остановки генерации, второй — для запуска, и он может быть выполнен, например, в виде последовательно соединенных в кольцо двух одновибраторов с элементом ИЛИ в цепи обратной связи на входе первого одновибратора, через который осуществляется запуск генератора 7 от внешнего импульса, à его останов может быть выполнен путем подачи на одновибратор 16 временной задержки импульса сброса с длительностью, большей 1/f .

На временнои диаграмме (фиг. 2) обозначены: 32 — сигнал на выходе

"1" одновибратора 15; 33, 34 и 35— сигналы на выходах "1" триггеров

12, 13 и 14; 36 и 37 — сигналы на выходах "1" одновибраторов 16 и 17;

38 — сигнал окончания преобразования на выходе дешифратора нулевого кода 31.

Устройство работает следующим образом.

1388989

По внешнему сигналу пуска запускается одновибратор 15, который сигналом с его выхода "0" устанавливает коды "0" в счетчике 5 и реверсив5 ном счетчике 6. Отрицательный перепад сигнала 32 с выхода "1" одновибратора 15 записывает "1" в триггерах

12 и 13 и "0" в триггере 1.4 (через элементы ИЛИ 29) ° При переключении 10 триггера 12 элемент ИЛИ 27 запускает одновибратор 16, который сигналом с выхода "0" запрещает прохождение импульсов через элементы И 21, 22 и 23 и выключает генератор 7. Длительность импульса 36 одновибратора

16 больше времени переходного процесса в УГ 8 при подключении к нему

U„, которое осуществляет ключ 11 по сигкау 33 с выхода "1" триггера 20

12. Сигнал 33, проходя через группу элемент ИЛИ 28, в делителе 9 включает ток 1 „ а поступая в счетчик 6, включает режим суммирования.

40

На вход УГ 8 поступает ток Х = !

=I +I = "" (U- )+ "- - - . лу фа R N R N

Если Ц, =13,, то максимальный ток

Uo

I = —, и УГ 8 формирует импульсы с частотой Р, число которых за Т будет равно N . В этом случае при преобразовании частоты УГ 8 в код будет наименьший временной квант, равный t,=q/f.

При U„--0 входной ток УГ 8 равен

Х и соответствующая ему частота Р ю с выхода УГ 8 будет наименьшей F -=

Рд

|а

=F — а временной квант t npu о д to ее преобразовании в код будет наибольшим, NQ

Ю fP

Подсчет импульсов счетчиков 5 и реверсивйым счетчиком 6 соответст- 45 венно от генератора 7 и от УГ 8 начнется только после окончания сигнала

36 и по появлению первого импульса от УГ 8, который пройдет через элемент И 23 и отрицательным перепадом 50

- установит "1" в триггере 14. Его выходной единичный сигнал 35 вместе с сигналом 34 с выхода триггера 13 и сигналом с выхода одновибратора 16 разрешает работу элементов И 21 и 22. 55

Отрицательный перепад сигнала с выхода триггера 14 запускает форми.. рователь 19, выходной импульс которого включает в работу генератор 7.

Это обеспечивает синхронизацию начала первого такта с импульсами f и F,, что исключает ошибки при формировании

Т и С<„ при подсчете импульсов от

УГ 8.

Длительность первого такта Т, формируется, начиная с момента запус" ка генератора 7 до переполнения счетчика 5. В течение Т, с каждым импульсом УГ 8 осуществляется запись в регистр 10 кода из P младших разря" цов и старшего разряда счетчика 5.

При этом для исключения возможной записи неправильного кода в моменты переходных процессов при подсчете импульсов счетчиком 5 эта запись осуществляется с помощью элементов И 24 и 26 (работа которых разрешена сигналом 33), элемента ИЛИ 30, формирователя 20 и одновибратора 18. Запись неправильного кода может произойти в моменты времени, когда импульсы

f и F< совпадают, поэтому элемент

И 24 в эти моменты времени на выходе будет иметь сигнал, запускающий положительным перепадом одновибратор 18.

Длительность импульса одновибраi тора 18 устанавливается большей длительности, импульсов сигналов F u f но не превышающей 1/F,. Этот импульс объединяется с импульсами УГ 8, прошедшими через элемент И 26, в элементе ИЛИ 30, выходные сигналы которого запускают по отрицательному перепаду формирователь 20, осуществляющий запись кода в регистр 10. При совпадении импульсов F< и f элемент ИЛИ 30 сдвигает во времени запуск формирователя 20 и тем самым обеспечивает saпись кода в регистр 10 после окончания переходных процессов в счетчике

5 при подсчете импульсов f.

В конце Т, первого такта последний импульс F, от УГ 8 может совпасть с последним импульсом 1, вызывающим переполнение счетчика 5 и установку

s нем кода "0". В этом случае во все разряды регистра 10 записывается код "0", включая "0" в старший Р+1 разряд.

Если последний импульс F от УГ 8 приходит до окончания Т,, то в разрядах счетчика 5 находится код (N-Р -+.

+Р, ), где Р, — код в его P младших разрядах.

Величина P при наибольших значениях временного интервала от последне1388989. го импульса F до окончания Т наименьшая и равна нулю (кроме описанного случая при переполнении счетчиКа) при появлении последнего импульса

1 за время t =Р до окончания Т

» Р о

При этом во всех старших разрядах

Счетчика 5 будет код "1 Если приНять, что t, соответствует наибольше- 10 иу временному кванту F,, получаемому фри преобразовании УГ 8 сигнала I иногда U =0, то для этого случая имеQN ет соотношение t, = — —, которое по»о 15 эволяет определить величину P

N» —

Р— — =qQ N . и-..

Сформированный в счетчике 5 код

Соответствует временному интервалу (Т .Т ) от начала Т до последнеГо импульса F, . Получение этого кода

Связано с временной ошибкой 11хиз-за временного квантования с помощью

1»»мпульсов. Поэтому величина Т,„может быть представлена как т,Ä=(N-r +Р, ) — +,„.

За время T»„ a счетчик 6 от УГ 8 поступает целое число импульсов F

И записывается код

X1=Fi iт1х

По окончании Т импульс переполнения счетчика 5 устанавливает в "0" триггер 12, снятие "1" выходного сигнала 33 которого в двухпозиционном аналоговом ключе 11 подключает к УГ 40

8 ток Х„ и разрешает прохождение через элементы 28 сигналов "0" и "1" с выхода регистра 10 (вместо сигналов "1" в первом такте), сигнал с выхода "0" триггера 12 в счетчике 6 45 включает режим вычитания и запускает одновибратор 16. Выходной сигнал последнего останавливает генератор 7 и запрещает прохождение импульсов на входы счетчиков 5 и 6. 50

Сигналы с выхода регистра 10 через элементы ИЛИ 28 в делителе 9 устанавливают ток Х, величина которого при коде "1" в (Р+1) разряде регистра 10 равна I =Р, i а при коде

»»»»»

32 2Ф

0 в этом разряде — Т., так как сигнал с его выхода 0 поступает на входы всех элементов 28 аналогично их работе в первом такте. На вход

УГ 8 поступает ток

I, =I +I; I, =; —,(И-Р, +Р ).

- о

Этот ток с помощью УГ 8 преобразуется в частоту Г =KIz

При токе делителя 9, равном Т

$m

I = †., т.е. равен току 1 второго о

zm R

С такта работы прототипа.

Начало второго такта происходит аналогично первому такту с приходом первого импульса Р от УГ 8, При этом импульс переполнения счетчика

5 по окончании Т запускает одновибратор 17, его выходной сигнал 37 проходит через элемент И 25, работа которого разрешена сигналом 36, на входы записи кода "1" в самый младший и в (n+q-P) старшие разряды счетчика 5, устанавливая в нем код (N-Рр+1), и на элемент ИЛИ 29, через который в триггере 14 записывает код "0". После окончания сигнала 36 первый импульс F устанавливает в

"1" триггер 14, этим обеспечивается синхронизация f u F, а также работа счетчиков 5 и б.

В течение второго такта импульсы

F вычитаются иэ Х 1 в счетчике 6, а импульсы 1 подсчитываются счетчиком 5. Этот процесс продолжается до тех пор, пока в счетчике 6 не установится код "0", по которому дешифратор 31 нулевого кода формирует сигнал 38. Отрицательный перепад этого сигнала устанавливает в "0" триггер 13, его "1" сигнал 34 снимается и запрещается прохождение импульсов на входы счетчиков 5 и 6, преобразование заканчивается. Длительность

Х» второго такта равна Т =— г р

Время Т преобразуется в код Х с помощью счетчика 5, подсчитывающего имйульсы f. При этом в Xz может возникнуть от квантования ошибка

1 г»» т.е. Т =Хг — +t . Отсюда можно onpez»; ° делить величину Х х,=т,r-S,„= — "(N-Р )+ P +28,„-о,„, --"(М-Р +Р где M. = - — — — — ——

N-Р + P

7 1388989

Для всех значений 11„величина Х будет больше P -1, которая представр 1 ляет собой наименьшую величину, соответствующую U„=0, F,„=О, E Ä=1

Поэтому за Т на вход счетчика 5 обязательно поступит не менее P --1 имP пульсов и произойдет его переполнение, так как в нем был записан код

N-Рр+1 10

Этот импульс переполнения и соответствующий ему второй сигнал 37 не используются для управления работой

АЦП. Первый иэ них подтверждает код

"О" триггера 12, а второй не проходит через элемент И 25, так как сигнал 36 на другом его входе .отсутствует. Учитывая это, к окончанию Т в счетчике 5 будет получен результат преобразования: 20

Х,= --"(N-Рр )+1+ „-,„.. о

4U, (N-Р, )

f5 = 0<(а 11о так как

Таким образом, преобразование входного U выполнено с квантом

Uo — и полученный результат Х

N-P Г отличается от точного значения Х=

0 — на величину E =1+ 8 -У, т.е.

1х 2кх х =x+5 .

% (I

При преобразовании максимального входного сигнала U =U, ему соответствует код XÄ=(N-Р )+ . В этом случае будет наибольшая величина 35 погрешности 8р которая возникнет ко|да 1 х =О,О1х 1, Р, =О, Рр М ;1 =1+ — — — =2+ ——

Г P . Р

По сравнению с прототипом, в котором при максимальных значениях погрешностей квантования Ij равных единице, общая погрешность в результате преобразования может достигать 45 четырех квантов, величиной

U —, в данном АЦП, в котором napaNo метры F, Т, U U такие же как у прототипа, наибольшее значение по-, 50 грешности не будет превышать й„, квантов, имеющих величину U - =— — -.

Б

N-Р

Поэтому погрешность уменьшена в раэ, где

Б

; и =4 — (IФормула изобретения

Аналого-цифровой преобразователь по авт. св. 9 486473, о т л и ч аю шийся тем, что, с целью повышения точности, в него введены регистр, делитель тока, группа элементов ИЛИ, дополнительный триггер, вто" рой и третий элементы ИЛИ, первый и второй формирователи импульсов, первый и второй дополнительные одновибраторы, третий, четвертый, пятый и шестой элементы И, причем выход пятого элемента И подключен к входам записи кода "1" младшего и старших разрядов счетчика формирования временного интервала и к первому входу второго элемента ИЛИ, второй вход которого соединен с первым выходом одновибратора гашения, первый вход пятого элемента И подключен к дополнительному выходу одновибратора временной задержки, второй вход — к выходу первого дополнительного одновибратора, вход которого соединен с выходом переполнения счетчика формирования временного интервала, единичные выходы P младших разрядов и старшего разряда которого подключены к соответствующим единичным входам Р разрядов и Р+1 разряда регистра, вход записи которого соединен с выходом второго формирователя импульсов, нулевой выход Р+1 разряда регистра соединен с первыми входами элементов

ИЛИ группы, вторые входы которых объединены с первыми входами четвертого и шестого элементов И и подключены к единичному выходу триггера такта, а единичные выходы P разрядов регистра соединены с третьими входами со1 ответствующих элементов ИЛИ группы, вход установки кода "О" реверсивного счетчика объединен с одноименным входом счетчика формирования временного интервала, вход делителя тока является шиной эталонного напряжения, а выход соединен с входом управляемого генератора, выход которого подключен к первому входу третьего элемента И и к вторым входам четвертого и шестого элементов И, выход последнего из которых подключен к первому входу третьего элемента ИЛИ, второй вход которого соединен с выходом второго дополнительного одновибратора третий вход четвертого элемента

И соединен с выходом генератора эталонной частоты, первый вход которого подключен к выходу одновибратора вре ме ной задержки и к второму входу третьего элемента И, второй вход— к выходу первого формирователя импульсов, вход которого объединен с третьим входом третьего элемента И и подключен к нулевому выходу дополнительного триггера, единичный выход

1388989 10 которого подключен к дополнительным. входам первого и второго элементов

И, выходы элементов ИЛИ группы соединены с соответствующими входами делителя тока, выход третьего элемента И подключен к первому входу дополнительного триггера, второй вход которого соединен с выходом второго элемента ИЛИ, вход второго формирователя импульсов подключен к выходу третьего элемента ИЛИ, а выход четвертого элемента И соединен с входом дополнительного одновибратора,