Аналого-цифровой преобразователь

 

АНАЛОГО-ЦИФРОВОЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ , содержащий двухвходовый интегратор , первый вход которого соединен с входным аажимом устройства, а второй - с выходом ключа, вход которого подключен к выходу источника образцового напряжения, а управляющий вход ключа и вход цифрового измерителя интервалов времени подключены к выходу компаратора, первый вход которого подключен к выходу аналоговой ячейки памяти, а второй вход - к выходу генератора линейно-изменяющегося напряжения, причем управляющие входы аналоговой ячейки памяти и генератора линейно-изменяющегося напряжения подключены к выходу генератора тактовых импульсов, отличающийс я тем, что, с целью повышения точности и помехоустойчивости, в него введен трехвходовый интегратор, выход которого подключен к входу аналоговой ячейки памяти, первый вход Щ соединен с выходом двухвходового тегратора, а второй и третий входы соединены с соответствующими входами двухвходового интегратора.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИН

3(Я) Н 03 К 13 20

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЬГГИЙ (21) 3456082/18-21 (22) 23.06.82 (46) 07.03.84, Бюл. В 9 (7 2) М.lO.Михеев, Б.В. Чувыкин, Э.K.Øàõîâ и В.М.Шляндин (71) Пензенский политехнический институт (53) 681.325(088.8) (56) 1, Смолов В.Б. и др. Время-импульсные вычислительные устройства, 1968, с. 15-16, рис ° 9.

2. Авторское свидетельство СССР

9 567206, кл. Н 03 К 13/20 1974 (прототип) . (54) (57) АНАЛОГО-ЦИФРОВОЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ, содержащий двухвходовый интегратор, первый вход которого соединен с входным зажимом устройства, а второй - с выходом ключа, вход которого подключен к выходу источника образцового напряжения, а управляющий вход ключа и вход цифрового измерителя интервалов времени подключены к выходу компаратора, первый вход которого подключен к выходу аналоговой ячейки памяти, а второй вход — к выходу генератора линейно-изменяющегося напряжения, причем управляющие входы аналоговой ячейки памяти и генератора линейно-изменяющегося напряжения подключены к выходу генератора тактовых импульсов, о т л и ч а ю щ и й— с я тем, что, с целью повышения точности и помехоустойчивости, в него введен трехвиодовый интегратор, выход которого подключен к входу аналоговой ячейки памяти, первый вход Я соединен с выходом двухвходового интегратора, а второй и третий входы соединены с соответствующими входамн двухвходового интегратора.

1078 611

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано при создании цифровых измерительных приборов.

Известны интегрирующие аналогоцифровые преобразователи (АЦП), имею- 5 щне замкнутую структуру, характеризующиеся высокой точностью и помехоустойчивостью. Принцип действия таких преобразователей основан на методе преобразования со сравнением, 10 причем для повышения помехоустойчивости входная величина интегрируется эа фиксированный интервал времени, равный циклу преобразования (Т ).

Результат интегрирования в частном 15 цикле преобразуется во временной интервал Т„ путем сравнения с раз— вертывающей функцией. Преобразование интервала времени Т в цифровой код выполняется цифровым измерителем временного интервала.

Высокая точность преобразования обеспечивается, введением импульсной отрицательной обратной связи (ИОС), которая реализуется путем формирова-, ния импульсов обратной связи с вольтсекундной площадью, пропорциональной интервалам времени Т . В установившемся режиме среднее значение входного напряжения и напряжения обратной связи равны. Тем самым обеспечивается высокая точность, определяемая в конечном итоге точностью задания вольт-секундной площади импульсов обратной связи, которая при использовании широтно-импульсной моду- З5 ляции может быть реализована с высокой точностью.

Высокая помехоустойчивость, как указывалось выше, достигается за счет интегрирования входного напря- 40 жения за цикл преобразования Тц.

При выполнении условия кратности цикла преобразования Т периоду помехи

Ть т.е., Т,-.вТ„, „

45 где m=1, 2, Т вЂ” номинальное значение периоп,н да помехи, происходит полное подавление помехи jl)

Недостатком подобных интегрирующих аналого-цифровых преобразователей является то, что отклонение периода помехи от номинального (среднего) значения приводит к резкому уменьшению помехоустойчивости, так как не выполняется условие кратности

55 цикла преобразования периоду помехи, Если T (1+ Е) Т„„, где E — относительное отклонение периода помехи от номинального значения, то помехоустойчи- 60 вость равна

Р(5 )- "— 20CgE

Как видно иэ формулы отклонение в 1 /, (О, 01) снижает помехоустойчивость до 40 дБ, 65

Как укавывалось выше, интегрирующие аналого-цифровые преобразователи с замкнутой структурой характеризуются высокой статической точностью,. однако им свойственна динамическая погрешность, обусловленная интегрированием входной величины эа цикл преобразования. Эта погрешность может быть оценена по формуле (2! 1 тц12 а г.

1 где f — частота входного сигнала;

Я=О,Тц- относительная частота вход-ного сигнала.

Как видно иэ формулы, динамическая погрешность убывает по мере уменьшения Т и f, но минимальное значение Т определяется периодом помехи

Тд, поэтомУ,заданную динамическуюпогрешность можно получить только путем уменьшения верхней частоты входного сигнала 1 . Так, например, при f = 1/6 Т< динамическая погрешность It > 4В. Наличие динамической погрешности значительно сужает область применения подобных АЦП, Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является аналого-цифровой преобразователь, содержащий двухвходовый интегратор, первый вход которого соединен с входным э ажимом ус трой с тва, а в торой — с выходом ключа, вход которого подключен к выходу источника образцового напряжения, а управляющий вход ключа и вход цифрового измерителя интервалов времени подключены к выходу компаратора, первый вход которого подключен к выходу аналоговой ячейки памяти, а второй вход — к выходу генератора линейно-изменяющегося напряжения, причем управляющие входы аналоговой ячейки памяти и геиератора линейно-изменяющегося напряжения подключены к выходу генератора тактовых импульсов (2) .

Присущие интегрирующим АЦП методическая динамическая погрешность и снижение помехоустойчивости при неравенстве периода помехи циклу преобразования свойственно и устройству-прстотипу, что является его недостатками.

Цель изобретения — повышение точности и помехоустойчивости., Поставленная цель достигается тем, что в аналого-цифровой преобразователь, содержащее двухвходовый интегратор, первый вход которого соедйнен с входным зажимом устройства, а второй — с выходом ключа, вход которого подключен к выходу источника образцового напряжения, а управляющий вход ключа и вход цифрового измерителя интервалов времени

107861) подключены к выходу компаратора, пер-. вый вход которого подключен к выходу аналоговой ячейки памяти, а второй вход к выходу генератора линейно-изменяющегося напряжения, причем управляющие вход аналоговой ячейки 5 памяти и генератора линейно-изменяю-. щегося напряжения подключены к выхо- . ду генератора тактовых импульсов, введен трехвходовый интегратор, выход которого подключен к входу анало- 10 говой ячейки памяти, первый вход соединен с выходом двухвходового интегратора, а второй и третий входы соединены.с соответствующими входами двухвходоного интегратора. !5

На фиг. 1 представлена структурная схема преобразователя; на фиг. 2 — временные диаграммы, поясняющие его работу.

Аналого-цифровой преобразователь содержит источник 1 образцового напряжения, ключ 2, двухнходовый интегратор 3, аналоговую ячейку 4 памяти, компаратор 5, цифровой измеритель 6 интервалов времени, генера, тор 7 тактовых импульсон, генератор 8 линейно-изменяющегося напряжения, тнехвходоный интегратор 9.

Вход двухвходоного интегратора 3 соединен с входным зажимом устройства, а другой с выходом ключа 2, вход которого подключен к выходу источника 1 образцового напряжения, а управляющий вход ключа 2 и вход цифрового измерителя б интервалов времени подключены к выходу компаратора 5, первый вход которого подключен к выходу аналоговой ячейки 4 памяти, а второ. 1 вход к выходу генератора 8 линейно-изменяющегося напряжения, причем управляющие входы аналоговой 40 ячейки 4 памяти и генератора 8 линейно-иэменяющегос я нап ряжения подключены к выходу генератора тактовых импульсон. Выход трехнходоног0 интегратора 9 подключен к входу аналого- 45 вой ячейки 4 памяти, один из входон соединен с выходом днухвходоного интегратора 3, а дна других входа соединены с соответствующими входами двухвходового интегратора 3. 50

Рассмотрим работу АЦП при скачкообразном входном воздействии и нулевых начальных условиях на интеграторах.

На фиг. 2 представлены соответствующие временные диаграммы работы АЦП.

В течение первого цикла работы напряжение на выходе интегратора 3 нарастает линейно и н конце цикла примет значение

60 ц„ т

U Ф=

1=1

b, где С, - постоянная времени интегратора 3. 65

Напряжение на выходе интегратора 9 в первом цикле преобразования будет изменяться под действием нходного напряжения U» и ьыходного напряжения интегратора 3

u t U T И„т„ ц Ь1 +gг л Р" 2 л

4 где г — постоянная времени интегратора 9;

Ж вЂ” весовой коэффициент.

Примем « г Т, цо, Г1)="х!

0о, Е).) =(0,5+а) Ок °

Напряжение Мчг 1) записывается н конце цикла преобразования в аналоговую ячейку 4 памяти. Одновременно с моментом записи осуществляется запуск генератора 8 линейно изменяющегося напряжения, которое посредством компаратора 5 сравнивается с напряжением, хранящимся в ячейке 4.

Линейно-изменяющееся напряжение увеличивается в течение первой полонины цикла от нуля до напряжения U и уменьшается от U до нуля во вто" рой половине, благодаря этому на вход цифрового измерителя 6 интервалов нремени в начале и конце цикла поступают равные интервалы времени, пропорциональные напряжению с выхода ячейки 4 памяти. Совокупность аналоговой ячейки 4 памяти, компаратора 5, генератора 7 тактовых импульсов, генератора 8 линейно изменяющегося напряжения осуществляет преобразование н интервал времени

Т» мгновенных значений напряжений интегратора 9, относящихся к фиксированным моментам, отстоящим друг от друга на интервал нремени Т, т.е °

ullihn- )

Т,Я- ц

20о где n — номер цикла.

Во нтором цикле преобразования на соответствующие входы интеграторов 3 и 9 поступает опорное Напряжение Uð источника 1 опорного напряжения на время Т» н начале и в конце цикла. Эта операция осуществляется посредством ключа 2. Напряжения на выходах интеграторов 3 и 9 к концу второго цикла работы без учета обратной связи будут равны

Uu, И =28, i "uq Р1-2 < +1>0»

Поскольку во втором цикле действует напряжение обратной связи, то 20рЧ „С )

Тх 2>i(() "ч М 2(к+i)Ох т Ирy," uî, ! I где — весовой коэффициен т

1078611

U„ еееиГ. 2

BHHHHH Заказ 984/52 . Тираж 862 Подписное

Филиал ППП "Патент", r. Ужгород, ул.Проектная, 4

"u4 Р1=()r(1 )

0(Е > (2) = ОЕЕ(-0, 5 +1, 5Ж-Ее(9+1 75)

Если йиииять ll ° 1, Е, TO Ея (2f ll» и не зависит от aL.

В следукяцих циклах работы напряжение, записываемое а ячейку 4е будет также равно ()r > поскольку среднее значение напряжений по входам каждого интегратора за каждый последующий цикл преобразований будет равно нулю. Таким образом, переходный процесс завершится за два цикла.

В отличие от устройства-прототипа предлагаемое устройство осуществляет двухкратное интегрирование входного 15 напряжения, поэтому его передаточная функция будет иметь вид

РТн неее-() f4 т е

Еее

Соответствующий модуль получаем путем подстановки р = j (ыпО,БТ4444 ее

4(иЕ=(i « т» и

О,е Ти, 4.4 сли T„(1 6) Тее„, то значение коэф25 фициента помехоустойчивости равно

l lEf=-4aeg4lи4), 4оеее-44еяее Ят 4;,4l

Как видно из формулы отклонение в 1% ((=„е0,01) при т=1 иМ 1/Д снижает помехоустойчивость до 71 дБ

3 начениесС 1/4Ь выбрано иэ условия получения минимальной динамической погрешности у,е 44ие (<< 4)ттит f е 2 4 и4)те 4

И й96о 24 8 н при ф, е 1/46

= 0,001 Т4 (,14= -0,001ф4

При 1 =1/6Тц (й=l) для устройствапрототипа динамическая погрешность равна 4%, а для предлагаемого устройства — О, 1%.

Предлагаемый АЦП имеет более высокую помехоусточивость, благодаря уменьшению влияния отклонения периода помехи от номинального значения

Тй, при фиксированном значении Т на значение коэффициента помехоустойЧ чивости.