Следящий аналого-цифровой преобразователь

Следящий аналого-цифровой преобразователь

Иллюстрации

Показать все

Реферат

 

Союз Советских

Социалистических

Республик н11738150

1 (61) Дополнительное к авт . свид-ву (51)М, Кл.

Н 03 К 13/02 (22) Заявлено 1601.78 (21) 2569971/18-21 с присоединением заявки ¹

Государственный комитет

СССР ио делам изобретений и открытий (23) Приоритет

Опубликовано 3005.80, Бюллетень Ио 20 (53) УДК 6 81 . 32 5 (088. 8) Дата с публикования описакия 300580 (72) Автор изобретения

М.М.Гельман (71) Заявитель (54) СЛЕДЯЩИЙ АНАЛОГО-ЦИФРОВОЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ

Изобретение относится к измерительной и вычислительной технике н может быть использовано в измерительных и управляющих вычислительных системах для контроля за изменением регулируемых параметров объектов управлейия .

Известен следящий аналого-циФроsoN преобразователь, содержащий компаратор и реверсивный циФроаналоговый преобразователь (1).

Недостатками устройства являются пониженное быстродействие и ограни" ченный диапазон уровней измерения.

Известен следящий аналого-циФровой преобразователь, содержащий груп- пу компараторов, реверсивный генератор ступенчато-изменяющегося напряжения, диФференциальний элемент, соединенный с входом генератора ступенчато-изменяющегося напряжения (2).О

Однако устройство имеет низкое быстродействие.

Цель изобретения — повышеяие быстродействия в широком диапазоне убов- 2 ней кодируемых сигналов.

Укаэанная цель достигается тем,,,что в следящий аналого-циФровой преобразователь, содержащий блок отображения данных, генератор ступенчатого ЗЯ напряжения, диФФеренциальный, элемент и измерительные компараторы, введены

:масштабный делитель, два опорных источника, масштабные компараторы, элементы не, элементы и, кодовый регистр масштаба, аналоговые ключевые элементы, два компаратора реверса, два, элемента ИЛИ, отдельный элемент НЕ, отдельный триггер, коммутатор, шун.-.нрующие ключевые элементй декадный ,делитель, триггеры памяти, элемент временной задержки, отдельный ключевой элемент, причем масштабный делитель включен между измерительной и общей шинами устройства, первые входы Масштабных компараторов соединены с выходом первого опорного источника, вторые входы — с выходами соответствующих ступеней масштабного делителя, а выходы — с входами кодового регистра масштаба, выход которого соединен с входом блока отображения данных, аналоговые ключевые элементы, первые входы которых соеди-. нены с выходами соответствующих 3Т3 I пеней масштабного делителя, второй ! вход первого аналогового ключа через элемент HE -с выходом масштабногО компаратора, вторые входы последую,:!щих аналоговых ключей — с выходами

738150 соответствующих масштабных компараторов через последовательно соединенные элементы И и НЕ, а вторые входы элементов И вЂ” с выходами предыдуших масштабных коипараторов;

Опорный вход первого компаратора реверса соединен с выходом генератора ступенчатого напряжения, с первым входом дифференциального элемента и через декадный делитель с общей шиной устройства, вход перво10

";го компаратора реверса — с выходами аналоговых ключей, входами измерительных компараторов, входом второго

- компаратора реверса, опорный вход которого связан с выходом дифферен"" -циального элемента, второй вход ко- 1$ торого соединен с выходом второго опорного источника. Выход первого компаратора.реверса непосредственно, а выход второго компаратора реверса через отдельный элемент НЕ соединены

" "с входами отдельного триггера и первого элемента ИЛИ, выход которого связан с входами запуска генератора ступенчатого напряжения и коммутатора и с входом элемента временной задержки, выход которого через отдельный ключевой элемент соединен с коммутируЮщнм входом блока отображения данных. Выход отдельного триггера соединены с первым и вторым входами реверса генератора ступенча того напряжения и коммутатора, выходы которого через шунтирующие,ключевые элементы подключены к ступеням

""с ответствующих декад декадного делителя, а кодовый выход коммутатора — З5 с кодовым входом блока отображения данных. Опорные входЫ измерительных компараторов соединены с соответст вующими ступенями младшей декады декадного делителя, а выходы — с

-входами второго элемента ИЛИ и тригrepos памяти, выходы которых соединены с цифровыми входами блока отображения данных, а выход элемента

ИЛИ вЂ” с управпяющим входом отдельного ключевого элемента.

Структурная электрическая схема устройства приведена на чертеже, Устройство содержит измерительную шину 1, общую шину 2, масштабный дели- 0 тель 3, масштабные компараторы 4, элементы не 5, элементы и 6, аналоговые элементы 7, опорный источник 8, кодовый регистр 9 масштаба, элемент

ИЛИ 10, генератор 11 ступенчатого напряжения с входом 12 запуска, входами 13 и 14 реверса и выходом 15„ отдельный триггер 16 отдельный элемент HE 17, опорный источник 18, дифференциальный элемент 19, компараторы 20, 21 реверса., измерйтельные 4О компараторы 22, коммутатор 23 с выходами 24, входами 25 и 26 реверса, входом 27 запуска и кодовым выходом

2S, шунтируюшие ключевые элементы 29, декадный делитель со ступенями

-4

30 (R) р 31 (R 10 ) у ° ° е ° ° ° ° ° ° ° ° у

32 (R 10 " ) ), и ступенями 33»

"(R 10 " " ), элемент ИЛИ 34, триггеры 35 памяти, элемент 36 временной задержки)отдельный ключевой элемент

37, блок 38 отображения данных.

Устройство работает следующим образом.

Измеряемая величина, поступившая на измерительную шину 1, преобразуется масштабным делителем 3, распределяется по его ступеням и сравнивается параллельно в масштабных компараторах 4 с .набором уровней квантования, образуемых на ступенях делителя 3 образцовым сигналом опорного источника 8..Уровень сигнала опорного источника 8 задается равным максимальному значению сигнала генератора 11> (источника образцового сигнала последовательного уравновешивания), который равен верхнему гра- ничному значе нию условного младшего предела. Если измеряемая величина находится в границах условного младшего предела, то ни один из масштабных компараторов 4 не выдаст сигнала больше, равного, например, единичному. В этом случае инвертированным в элементе НЕ 5 нулевым сигналом масштабного компаратора 4, подсоединенного к измерительной шине l,çàìêнется аналоговый ключевой элемент 7 в цепи измерительной шины 1 и оба компаратора 20 и 21 реверса, а также все измерительные компараторы 22 подключаются к измерительной шине 1. одновременно аналоговый ключевой элемент 7 на каждом последующем выходе (последующей ступени) масштабного делителя 3 оказывается разомкнутьва нулевым сигналом элемента И 6, подключенного к масштабному компаратору 4 в цепи предыдущей ступени масштабного делителя.

Если измеряемая величина превышает условный младиий предел, то соответствующая часть масштабиых компараторов 4, начиная с масштабного компаратора 4 на измерительной шине

1, срабатйвает, а аналоговые элементы 7, подключенные параллельно этим масштабным компараторам 4, оКажутся разомкнутыми нулевыми сигналами соответствующих элементов И 6. Нулевым сигналом первого из несработавших компараторов 4,инвертированным в элементе НЕ 5 в цепи данного масштаб-. ного компаратора 4, и единичным сигналом сработавщего масштабного компаратора 4, соседнего с данным, открывается ключевой элемент 7, подсоединенный параллельно данному масштабному компаратору, и тем самым оба компаратора 20 и 21 реверса "и все измерительные компараторы

22 подключаются к соответствующему выходу масштабного делителя 3, Остальные аналоговые ключевые элементы

738150

Выходное напряжение генератора 11 распределяется по ступеням 33 с равным и постоянным приращением, образуя равномерную шкалу квантования 5п измеряемого сигнала по уровню в укаэанных пределах, Если уголовный младший предел измерения и амплитуда .напряжения генератора 11 равны

A=10" где n — число декад, требуемое количество уровней квантования

Р, диапазон представления чисел в блоке аналого-цифрового преобразователя.считывания 10, где К вЂ” соответствующее число младших декад, то величина единичной ступени напряжения генератора lib- р-, а количество этих ступеней выбирается равным ф, т,е. равным P. 10, Генератор 11 является реверсивным, В исходном состоянии устройст.

7 остаются раэомкнутыми. Таким образом, на вход компараторов 20, 21 и

22 передается масштабно-преобразо-. ванный измеряемый сигнал, но всегда в границах условного младшего предела.

В исходном состоянии (цепь внешнего сигнала сброса на чертеже не показана) все триггеры 35 находятся в нулевом положении, а все шунтирующие ключевые элементы 29 закрыты сигналами коммутатора 23, тем самым ступени 30, 31, 32 декадного делителя оказываются эакороченными, Уровень единичной ступени выходного напряжения генератора 11 выби .ается в границах одной или нескольких предпоследних мЛадших декад кода измеряемой величины, исходя из требований быстродействия и точнос-. ти измерений, а также количества ступеней 33 декадного делителя, Число декад остальных ступеней декад- 2О ного делителя и их номиналы иэ перечисленного ряда определяются числом ступеней и амплитудой напряжения генератора 11. Совместно с измерительными компараторами 22 ступени 33 де- 25 кадного делителя образуют аналогоцифровой преобразователь считывания, работающий в пределах одной или нескольких младших декад, количество которых обусловлено требуемым быстродействием и допустимой погрешностью измерений (числом уровней квантования), Укаэанные требования обеспечивают выбором оптимального соотношения между значением уровня единичной ступени напряжения генератора ll и числом ступеней 33 декадного делителя с измерительными компараторами 22, т.е. числом уровней квантования единичной ступени генератора 11 и соответственно измеряемого сигнала, исходя из возможного быстродействия используемых элементов, с учетом временных (спектральных) характеристик измеряемого сигнала.

45 ва выходное напряжение генератора

11 устанавливают на уровне первой ступени, равном Ь . Так как ступени

30-32 декадного делителя закорочены, то напряжение д генератора 11 в качестве опорного распределится по измерительным компараторам 22 в соответствии с дискретными ступенями.

33 декадного делителя, Опорное напряжение при этом на каждом измерительном компараторе 22 отличается от соседнего измерительного компаратора на величину л/10 1

Измеряемый сигнал непосредственно или после масштабного преобразования сравнивается в измерительных компараторах 22 с указанной совокупностью (декадной шкалой) дискретных опорных уровней. Если измеряемый сигнал не превышает уровня первой ступени напряжения генератора 11 d, то срабатывает соответствующая часть компараторов

22, сигналы сравнения которых, представляющие собой единичный код, запомнят подключенные к этим компараторам триггеры 35. Одновременно сигналы сравнения через элемент ИЛИ

34 и через нормально открытый отдельный ключевой элемент 37 поступают в блок 38. Ilo этим сигналам выполняется считывание единичного кода иэ триггеров 35 в память блока 38.

Положение каждого триггера 35 однозначно определяется значением выход" ного сигнала, подключенного к нему измерительного компаратора 22, Всякое изменение выходного сигнала компаратора 22, т.е. появление на его выходе единичного или нулевого сигнала, отображается соответствующим триггером и одновременно, по любому из этих сигналов сравнения при изменении их значения (фомирующие цепи могут включаться в элемент ИЛИ 34 или отдельный ключевой элемент 37), .выполняется считывание очередного текущего значения кода из всех триггеров

35 в блок 38. Если измеряемая величина остается постоянной, то состояние триггеров 35 также не меняется.

Таким образом, при изменениях измеряемой величины в границах ступени напряжения а генератора 11 обеспечивается следящее параллельное уравновешивание и коднрование приращений этой величины, а также считывание соответствующих единичных кодов в блок 38. В рассматриваемом случае организации кодирования приращений и считывания кодов исключается избыточность отсчетов, Сигналы на переключение генератора 11 и коммутатора 23 формируют компараторы 20 и 21 реверса. Компаратор 21 реверса следит за изменением измеряемой величиной и формирует сйгналы управления при ее возрастании, а компаратор 20 реверса—

738150

55 кодирование приращений и считывание кодов выполняется аналогично описанному. " flpe его уменьшении, К опорному входу . компаратора 20 подводится напряжение, уменьшенное на величину Д по сравиению с опорным напряжением компаратора 21. Это достигается включением

"" 3 уСтройство опорного источника 18, .напряжение которого в дифференциальном элементе вычитается из опорного напряжения, подводимого к опорному входу компаратора 21 реверса т.е. из выходнбго напряженйя генератора

11. Когда приращение измеряемой веЛИчины при ее возрастании достигнет уровня а или превысит его, сработают оба компаратора реверса. Инвертированнйй в элементе HE 17 единичный сигнал сравнения компаратора 20 при этом не 15 будет воздействовать на цепи управления генератора 11 ГСН и кОммутатора

23. B то же время единичный сигнал сравнения компаратора 21 переключит отдельный триггер 16, запоминающий gp бчередность срабатывания компараторов 20, 21, который подтвердит или включит направление действия генератора 11 (режим увеличения ступенчатого напряжения), а также коммутатора 23 (режим размыкания шунтирующих ключевых элементов 29 и включение соответствующих ступеней декадного делителя). Одновременно сигнал сравнения компаратора реверса 21 через элемент ИЛИ 10 вбздействует на вход 12 запуска генератора 11 и вход 27 запуска коммутатора 23. При этом генератор 11 переключается, и на его выходе формируется напряжение, равное двум ступеням Ь, а коммутатор 23 размыкает шунтирующий ключевой элемент 29 первой ступени 32 декадного . делителя, непосредственно подключенной к цепочке ступеней 33. так как при этом с увеличением напряжения gp генератора ll пропорционально возросло и сопротивление декадного делителя (Общее сопротивление ступеней

33 равно сопротивлению одной ступени 32),.То поиращение напряжения на

Соседних ступенях 33 делителя сохранится прежним, р вным!а/1О"I Но возрастет при этом на каждой ступени

33 по абсолютному значению на величину л . Далее работа устройства слежение за измеряемэй величиной в границах стуйени а и считывание сигналов кодов с триггеров 35, кодового регистра 9 и кодового выхода

28 коммутатора 23 {код коммутатора представляет старшие декады измеряемой величины) происходит аналогично описанному.

При каждом переключении генератора 11 и коммутатора 23 одновременно включается элемент 36, выполнен- 60 иый, .калример, в виде одйовибратора. Выходным сигналом этого элемента 36 блокируе ся отдельный ключевой влемеит ;37 йа" время" переходного Фецесса перекл.учения генератора 11 и коммутатора 23 и тем самым исклю- чается считывание с триггеров 35 ложной ивФормации. ffo завершении действия сигнала элемента 36 из фронта его окончания формируется импульс (цепи формирования входят в элемент 36 или отдельный ключевой элемент 37), который через деблокированный ключевой элемент 37 передается в цепь считывания блока 38.

По мере возрастания измеряемой величины ойисанный процесс ее сравнен1я с равномерной шкалой уровней квантования, Формируемой на ступенях

33 н изменяющейся на величину ь в соответствии с последовательным ростом напряжения Генератора 11 и вклю- чением {деблокировкой) отдельных ступеней 32, 31, 30 декадного делителя в каждом такте появления сигнала сравнения компаратора 21 реверса, а также считывание кодов повторяется до тех пор, пока измеряемая величина не начнет уменьшаться. Когда измеряемый сигнал уменьшится на величину, равную а,или несколько превысит ее, выходной сигнал,компаратора 20 реверса станет нулевым и после инвертирования в элементе НЕ 17 переключит отдельный триггер 16, который в свою Очередь переключит генератор

11 в направлении уменьшения выходного напряжения для уравновешивания, а коммутатор 23 — в направлении шунтирования ступеней декадного делителя, Одновременно по инвеотированному (единичному) сигналу компаратора

20 реверса, выходное напряжение генератора 11 уменьшится на одну ступень Л и коммутатор 23 отключит соответствующую ступень декадного дели- . теля. Таким образом, при уменьшении измеряемой величины повторяется процесс ее уравновешивания, но уже пропорционально уменьшающимся образцбвым сигналом, Формируемым генератором 11 на ступенях 33, с последовательным отключением (шунтированием) ранее включенных в декадный делитель ступеней. Отключение ступе ней при этом происходит в обратном порядке, начиная с первой деблокированной, подключенной к обшей шнне 2-й ступени. Как и при возрастании измеряемой величины, формирование уравновешивающего сигнала в процессе уменьшения измеряемого происхбдит с опережением во времени и по уровню на величину (а), т,е. выполняется слежение со скоростью, превышающей скорость изменения измеряемой величины на отдельных ее участках, заданных уровнями квантования, отстоящими друг от друга на,величину h .

738150

Устройство обладает повышенным быстродействием в ггироком диапазоне уровней измеряемой величины, причем эффектинное быстродействие возрастает благодаря следящему с опережением по времени и уровню уравновешиванию измеряемой величины с одновременным ее параллельным масштабным преобразованием,,а также вследствие кодирования и считывания только приращений измеряемой величины.

Адаптивная перестройка делителя на выходе генератора ступенчатого напряжения в соответствии с формируегьгм уроннем напряжения (квантования) обеспечивает постоянство абсолютной погрешности квантования по уровню в пределах одного кванта, т.е. л/гO . Относительная погрешность измерений с расширением предела при этом уменьшается. Использование десятичной шкалы 20 уравновешивания и единичного кода обеспечивает повышение информационной надежности устройства. Потери информации, обусловленные случайным сбоем или даже отказом элементов в отдельных разрядах, могут быть восстановлены по данным соседних разрядов. Систематический отказ в этом случае легко диагностируется по результатам нескольких циклов измерения.

При измерении периодических сигналон устройство может быть использовано н режиме накопления данных.

Устройство отличается высокой степенью регулярности структуры, что обеспечивает технологичность

его производства н виде больших интегральных схем.

Предлагаемое техническое решение позволяет строить оптимальные по 40 быстродействию и затратам оборудонания цифровые устройстна для кодирования сигналов, исходя из возможно достижимых метрологических характеристик элементов — генератора ступен- 4 чатого напряжения, компараторов, декадного делителя напряжения и др.

Устройство является многофункциональным. Помимо основной функции— следящего кодирования приращений вход-50 ной величины, оно позволяет накапли- ° вать данные путем периодического считывания кода из триггеров, а также кодировать максимальное значение сигнала, если блокировать цепь передачи выходного сигнала компаратора реверса, следящего за уменьшением измеряемой величины, Формула изобретения

Следящий аналого-цифровой преобразователь, содержащий блок отображения данных, генератор ступенчатого напряжения, дифференциальный элемент и измерительные компараторы, о т л ич а ю ш и и с я тем, что, с целью повышения быстродействия в широком диапазоне уровней кодируемгх сигналов введены масштабный делитель, два опорных источника, масштабные компараторы, элементы НЕ, элементы И, кодовый регистр M...ñøòàáà, аналоговые ключевые элементы, два комп аратора

|реверса, два элемента ИЛИ, отдельный элемент НЕ, отдельный триггер, коммутатор, шунтирующие ключевые элементы, декадный делитель, триггеры памяти, элемент временной задержки, отдельный ключевой элемент, причем масштабный делитель нключен между измерительной и обшей шинами устройства, первые входьг масштабных компараторов соединены с выходом первого опорного источника, вторые входы соединены с выходами соответствующих ступеней масштабного делителя, а выходы соединены с входами .кодового регистра масштаба, выход которого соединен с входом блока отображения данных, аналоговые ключевые элементы, первые входы которых соединены с выходами соответствующих ступеней масштабного делителя„ второй вход первого аналогового ключа через элемент

НЕ соединен с выходом масштабного компаратора, вторые входы последующих аналоговых ключей соединен г с выходами соответствующих масштабных компараторов через последовательно соединенные элементы И и НЕ, а вторые входы элементов И соединены с выходами предыдуших масштабных компараторов, опорный вход первого компаратора реверса соединен с,выходом генератора ступенчатого напряжения, с первым входом дифференциального элемента и через декадный делитель с обшей шиной устройства, вход первого компаратора реверса соединен с ныходами аналоговых ключей, входаии измерительных компараторон и входом второго компаратора ренерса, опорный вход которого соединен с выходом дифференциального элемента, второй вход которого соединен с выходом второго опорного источника, выход первого компаратора реверса непосредственно, а выход второго компаратора реверса через отдельнйй элемент НЕ соединены с входами отдельного триггера и первого элемента ИЛИ, выход которого соединен с входами запуска генератора ступенчатого напряжения и коммутатора и с входом элемента временной задержки, выход которого. через отдельный ключевой элемент соединен с коммутирующим входом блока отображения данных, выходы отдельного триггера соединены с.первым и вторым входами реверса генератора ступенчатого напряжения и коммутатора, выходы которого через шунтируюшие ключевые элементы подсоединены к ступеням соответствуюших декад декадного . дели,теля, кодовый выход коммутатора соединен с кодовым входом блока отображения данных, опорные входы измерительных компараторов соединены с соответствуюшими ступенями младшей декады декадного делителя, а выходы соединены с входами второго элемента ИЛИ и триггеров памяти, выходы которых соединены с. цифровыми входами блока отображечия данных, а выход элемента

738150 12 ИЛИ соединен с управляюшим входом отдельного ключевого элемента.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1, Муттер B.М, Аналого-цифровые следяшие системы. Л., Энергия, 1974, с,20, рис. 1-3.

2, Шляндин В.Н. цифровые электроиэме6ительные приборы. М., Энергия, 1972, с.255, рис. 6-8 (прототип) .

ЦНИИПИ Эакаэ 2829/37

Ч. ираж 995 Подписное

Филиал ППП Патент, r. .ужгород, ул. Проектная, 4