Аналого-цифровой преобразователь

 

СОЮЗ СОВЕТСНИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСНИХ

РЕСПУБЛИН

„„SU„„1056449 з,,5о Н 03 К 13/17

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕ

Н ДвторСНОММ свиДЕткЛьСтв

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТИЙ (21) 3353697/18-21 (22) 11.11.81 (46) 23 ° 11.83. Бюл. Г 43 < (72) P.P. Нугаев, В.В. Озеров и А.И. Фрид (71) Уфимский авиационный институт им. Орджоникидзе (53) 681.325(088.8) (56) 1. Гитис Э.И., Пискулов Е.А.

Аналого-цифровые преобразователи. N., Энергоиздат, 1981, с. 225.

2. Авторское свидетельство СССР

N 744978, кл. H 03 К 13/20, 1980.

3. Прянишников В.А. Интегрирующие ецифровые вольтметры постоянного тока.

Л., ".Энергия", 1976, с. 41 (прототип). (54)(57) АнллоГо-цифговой преоьрлзоВАТЕЛЬ, содержащий преобразователь напряжение-код поразрядного уравновешивания, вход которого соединен с входной ыиной и первым входом блока вычитания, а выходы старших разрядов соединены с первыми входами выходного счетчика старших разрядов и входами преобразователя код-напряжение, выход которого соединен с вторым вхо- . дом блока вычитания, выход которого соединен с первым входом первого ключа, второй вход которого соединен с выходом первого триггера, а выход— с первым входом интегратора, второй вход которого соединен с выходом второго ключа, а выход — с первым входом компаратора, второй вход которого соединен с общей шиной, а выход — с первым входом второго триггера, выход которого соединен с первым входом второго ключа, второй вход которого соединен с выходом источника опорного напряжения, первый вентиль, выход которого соединен с первым входом выходного счетчика младших разрядов, а первый вход — с выходом генератора импульсов и первым входом второго вентиля, второй вход которого соединен с выходом первого триггера, а выход - с входом счетчика, выход которого соединен с первым входом первого триггера, о т л и ч а ю шийся тем, что, с целью повышения быстродействия и точности преобразования, в него введены третий вентиль, группа вентилей, элемент

ИЛИ, выход которого соединен с вторым входом первого вентиля, первый вход — с вторым входом первого ключа, а второй вход — с выходом второго триггера и первым входом третьего вентиля, выход которого соединен с вторым входом выходного счетчика стар ших разрядов, а второй вход — с вторым входом второго триггера и выходом выходного счетчика младших разрядов, вторые входы которого соединены с выходами вентилей группы вентилей, первые входы которых объединены и соединены с шиной "Пуск" и вторым входом первого триггера, а вторые вхо ды — соответственно с выходами младших разрядов преобразователя напряжение-код поразрядного уравновешивания.

1056449

Изобретение относится к информационно-измерительной технике и используется s устройствах ввода информации цифровых систем контроля и управления. 5

Известен аналого-цифровой преобразователь, содержащий интегратор, компаратор, источник опорного напряжения, генератор импульсов, ключи, триггеры управления, вентиль и счет- 1п чик (1 ).

Известен аналого-цифровой преобра! эователь, содержащий интегратор, компаратор, источник опорного напряженив,. ключи, устройство сравнения, блок управления с устройством формирования импульсов, .схему формирования периода интегрирования опорного напряжения, формирователь разверты-, вающегося во времени напряжения, со- щ стоящий из двух интеграторов и суммирующего устройства, вентиль и счетчик (2 ).

Известен также аналого-цифровой преобразователь, содержащий преобра" д зователь напряжение-код поразрядного уравновешивания, вход которого соединен с входной шиной и первым входом блока вычитания, а выходы старших разрядов соединены с первыми входами выходного счетчика старших разрядов и входами преобразователя коднапряжение, выход которого соединен . с вторым входом блока вычитания, выход которого соединен с первым вхо" дом nepaoro ключа, второй вход кото.35 рого соединен с выходом первого триггера, а выход - с первым входом интегратора, второй вход которого соединен с выходом второго ключа, а выход - с первым входом компаратора, второй вход которого соединен с об» щей шиной, а выход - с первым входом второго триггера, Выход которого,соединен с перВым ВхОдОм ВТОРОГО ключа второй вход которого соединен с выходом источника опорного напряжения, первый вентиль, выход которого соеди" .нен с первым входом выходного счетчика младших разрядов, а первый входс выходом генератора импульсов и пер50 вым входом второго вентиля, второй вход KOToporo соединен с Выходом первого триггера, а выход - с входом счетчика,- выход которого соединен с первым входом первого триггера (3 3.

Недостатками известных преобразователей являются малое быстродействие и низкая точность .преобразования.

Целью изобретения является повышеwe быстродействия и точности преоб" разования.

Поставленная цель достигается тем, что В аналого-цифровой преобразователь, содержащий преобразователь напряжение-код поразрядного уравновешивания, вход которого соединен с входной шиной и первым входом блока вычитания, а выходы старших разрядов сое« динены с первыми входами выходного счетчика старших разрядов и входами преобразователя код-,напряжение, выход которого соединен с вторым входом блока вычитания, выход которого соединен с первым входом первого ключа, второй вход которого соединен с выходом первого триггера, а выход - с первым входом интегратора, второй вход которого соединен с выходом второго ключа, а выход - с первым входом компаратора, второй вход которого соединен с общей шиной, а выход " с первым входом второго триггера, выход которого соединен с первым входом второго ключа, второй вход которого соединен с выходом источника опорного напряжения, первый вентиль, выход которого соединен с первым Входом выхОднОГО счетчика младших разрядов, а первый вход - с выходом генератора импульсов,и первым входом второго Вентиля, второй вход которого соединен с выходом первого триггера, а выход - с входом счетчика, выход которого соединен с первым входом первого,триггера, введены третий вентиль, группа вентилей, элемент ИЛИ, выход котороГб соединен с вторым входом первого вентиля, первый вход - с вторым входом nepaoro ключа, а второй входс выходом второго триггера и первым входом третьего вентиля, выход которого соединен с вторым входом выходного счетчика старших разрядов, а второй вход - с вторым входом второ1 рого триггера и выходом выходного счетчика младших разрядов, вторые входы которого соединены с выходами вентилей группы вентилей, первые входы которых объединены и соединены с шиной "Пуск" и вторым входом первого триггера„ а вторые выходы - соответ ственно с выходами младших разрядов преобразователя напряжение-код поразрядного уравновешивания.

На чертеже представлена блок-схема аналого-цифрового преобразователя.

3 10564

Устройство содержит преобразователь 1 напряжение-код поразрядного уравновешивания, входом соединенный с входной шиной и первым входом бло.ка 2 вычитания, преобразователь 3 код-напряжение, выходы старших разрядов 4 соединены с первыми входами выходного счетчика старших разрядов и младшие разряды 5 выходного счетчика, интегрирующий преобразователь 6, включающий интегратор 7, компаратор . 8, триггеры 9 и 10, ключи 11 и 12, источник 13 опорного напряжения, счетчик 14, генератор 15 импульсов, вен,тили 16-19 и элемент ИЛИ 20, выход которого соединен с вторым входом первого вентиля.

Работа аналого-цифрового преобразователя проходит в три, последовательных такта следующим образом..

В первом такте при помощи преобразователя 1 напряжение-код методом поразрядного уравновешивания преобразуемое напряжение U преобразуется в код.. В результате на выходе (е-Р) разрядного преобразователя образуется код в-старших разрядов

И„,=С ш,2 " (1)

1 1 и Р -младших разрядов

Ф а 2 мл. р

A@1 где а = 0 или 1 в 1-разряде кода.

Количество разрядов преобразователя 1 поразрядного уравновешивания выбирается исходя из априорной:информации о помехах в преобразуемом канале. Полученный код И старших разрядов преобразователя переписыва- 4О ется в старшие разряды 4 выходного счетчиха.

Во втором такте код Й т Р старших . .разрядов преобразователя 1 подверга.ется обратному преобразованию в .на- 45 . пряжение при помощи преобразователя 3 код-напряжение. Затем при помощи блока 2 вычитания выделяется раэностное напряжение Ю» из преобразуемого напряжения 0 и напряжения на выходе преобразователя 3 код-напряжение

49 4 на выходе младших разрядов 5 выходного счетчика образуется импульс переполнения, который запускает триггер 9. Первый импульс переполнения не проходит через вентиль 18, так как он закрыт триггером 9. Сигнал с выхода триггера 9 открывает ключ 12. чем подключает на вход интеграторов

7 ис гочник 13 опорного напряжения, величина которого выбирается равн.й максимальному значению разностного напряжения л0х, т.е. U0/2, и проис ходит совместное интегрирование разностного и опорного напряжений. Че55

Ф

1=1 где о - эталонное напряжение. о

В третьем такте, который начина. ется по команде "Пуск", код и мд р младших разрядов преобразователя 1 напряжение-код переписывается через открытые вентили 19 в младшие разряды 5 выходного счетчика и запускается триггер 10. В результате в младшие разряды 5 выходного счетчика записывается код

Ф 1= Е а;2" ", 1= Е где k - разрядность младших раэря" дов 5 выходного счетчика; индекс .(k-Ð) показывает, что инфор1мация записана только в 01разрядах начиная со старшего, так как в общем. случае k Ъ6 .

Начинается преобразование разностного напряжения 40х- в .код интегрируницим преобразователем 6. Сигнал с выхода триггера 10 через ключ

11 подключает раэностный сигнал hU на вход интегратора 7, открывает вентиль 16 и через элемент ИЛИ 20 открывает вентиль 17. В результате начинается интегрирование разностного сигнала, и импульс с выхода генератора 15 импульсов поступает через вентиль 16 в счетчик 14, емкость которого .определяет время интегрирования разностного напряжения, и через вентиль )7 на младшие разряды 5 выходно" го счетчика. Разрядность счетчика 14 выбирается равной младшим разрядам 5 выходного счетчика из условия

2 =Tf где Т - время, кратное периоду помехи переменного тока, наложенной на преобразуемый сигнал 0х, f - частота счетных импульсов генератора .15 импульсов.

В момент времени и =(2 - с ;2 4)< (3)

i--t-0

3 10564> рез время Т = 2 //f счетчик 14 переполнится и сигнал с его выхода переводит триггер 1О в первоначальное состояние, чем закрывает вентиль 16, отключает разностное напряжение от входа интегратора 7, и продолжается интегрирование только опорного напряжения в течение времени t>. Импульсы с выхода генератора 15 импульсов продолжают поступать на вход 10 младших разрядов 5 выходного счетчика, так как сигнал триггера 9 через элемент ИЛИ 20 держит вентиль tj от1.„ытым. Процесс преобразования заканчивается с появлением импульса на выходе компаратора 8, который перебрасывает триггер 9, чем отключает опорное напряжение от входа интегратора и через элемент ИЛИ 20 закрыва" ет вентиль 17.

Если во время интегрирования опорного напряжения произойдет переполнение младших разрядов 5 выходного счетчика то импульс переполнения через от рытый вентиль 18 перепишется 2 в старш е разряды 4 выходного,счетчика.

Процесс преобразования интегрирующим преобразователем 6 можно записать

U u 30 аО < + л0 — — T-< I— - — < =О® х .1 х п1 11 тп 2 учитывая, 3то время, в течение ко- торого интегрируется опорное напряжение, есть результат преобразования

ex= (т-t )+е уравнение (4) перепишется аа О„Т=

2 т.е. в младших разрядах 5 выходного счетчика запишется код о

Окончательное выражение кода всего аналого-цифрового преобразователя

Х ст.р2 + X мл. р. „(6)

В уравнение введен множитель 2 чтобы учесть вес кода старших разрядов. Тогда с учетом выражения (1), (2) и (5) уравнение (6) перепишется

=г аг

m 0 о г- 2 1с х п1+%

2 . Uo Uo

Учитывал, что

N /g E. ot 2

,/Х к

Х Х т (7) 2Т 22

1 ++. W-8 г ° Е: .z

1=1 .

Таким образом, предложенный преобразователь позволяет повысит.ь быстродействие почти в 2 раза (например, при k - =8, 0 = 4, С = 1,88). Кроме . того, за счет сокращения времени преобразования снижается аддитивная погрешность, вызванная несовершенством элементной базы преобразователя.

Использован11е предлагаемого аналого-цифрового преобразователя выгодно отличает его от известного, 55,так как позволяет повысить быстродействие и точность примерно в два раза при преобразовании аналоговой информации В код.

Покажем, что предлагаемый преобразователь по сравнению с известным об 9 Ь ладает повышенным быстродействием.

Для преобразователей с совмещенным интегрированием, когда опорное напряжение интегрируется полностью во время интегрирования измеряемого напряжения, момент подключения опорного, напряжения на вход интегратора определяется условием

Х

=Т-- Х = T- Т.

1 U (m и что Т = 2 /f уравнение перепишется

Как .видно, уравнение (7) аналогично уравнению (3). Однако „" несколько меньше й„, так как к больше

Г, что и приводйт к тому, что об; разуется участок длительностью когда интегрируется только опорное напряжение. Сравним быстродействие предлагаемого преобразователя и известного: изм. избестного Х

Т изм. предлагаемого 2

1056449

339/55 исное филиал ППП "Патент", r.Ужгород,ул.Проектная,4