Аналого-цифровой преобразователь

 

АНАЛОГО-ЦИФРОВОЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ по авт. св. № 921079, отличающийся тем, что, с целью расширения его функциональных возможностей путем обеспечения степенных , характеристик преобразования с показателен 2 или 1/2, в него введены два дополнительнительных счетчика штульсов, счетчик-делитель частоты на два, накапливающий сумматор , дополнительный регистр памяти , дополнительный третий триггер, блок сравнения кодов, два дополнительных элемента И, первый вход первого из которых соединен с дополнительной миной опорной частоты, второй вход - с первым выходом блока сравнения кодов, первые входы которого соединены с входами регистра памяти , второй выход - с первым входом второго дополнительного элемен та И, второй вход которого соединен с выходом третьего дополнительного триггера, а выход - с первыми входами дополнительного регистра памяти и третьего дополнительного триггера, второй вход которого соединен с миной Запись, первый вход первого дополнительного счетчика импульсов соединен с выходом счетчика-делителя частоты на два и первым входом накапливающего сумматора, а второй вход - с плиной Сброс, вторым входом накапливающего сумматора, первыми входами второго дополнительного счетчика импульсов и счетчика-делителя частоты на два, второй вход которого (g соединен с выходом первого дополни (Л тельного элемента И и вторым входом второго дополнительного счетчика имс пульсов, выходы которого соединены с третьими входами накапливающего сумматора, причем выходы перЬого до- 2 полнитель.ного счетчика импульсов и капливающего суг1матора соответственно соединены с вторыг1И входами блока сравнения кодов и дополнительного регистра при степенной характеристике преобразования с по- . казателем 2 или с вторыми входами :л У1 дополнительного регистра памяти и блока сравнения кодов соответственно о при степенной характеристике преобразования с показателем 1/2.

СОЮЗ СОВЕТСНИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСНИХ

РЕСПУБЛИК (19) (11) 3(51> Н 03 K 13/20

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТИЙ т |,. л.",, ° А °

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ: - :

Н ABTOPGHOMV СВИДЕТЕЛЬСТВУ (61) 921079 (21) 3606540/18-21 (22) 24.03.83 (46) 07.09.84. Бюл. р 33 (72) В.А.Пронякин, Г.Г.Безыменко и В.Д.Лигай (71) Особое проектно-конструкторское бюро Научно-производственного объединения "Черметавтоматика" (53) 681.325(088.8) (56) 1. Авторское свидетельство СССР

t) 992211007799, кл. Н 03 К 13/20, 1980 .(прототип). (54)(57) АНАЛОГО-ЦИФРОВОЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ по авт. св. Р 921079, о т л и ч а ю шийся тем, что, с целью расширения его функциональных возможностей путегл обеспечения степенных. характеристик преобразования с показателем 2 или 1/2, в него введены два дополнительнительных счетчика импульсов, счетчик-делитель частоты на два, накапливающий сумматор, дополнительный регистр памяти, дополнительный третий триггер, блок сравнения кодов, два дополнительных элемента И, первый вход первого из которых соединен с дополнительной шиной опорной частоты, второй вход — с первым выходом блока сравнения кодов, первые входы которого соединены с входами регистра па. мяти, второй выход — с первым вхо- дом второго дополнительного элемен та И, второй вход которого соединен с выходом третьего дополнительного триггера, а выход — с первыми входами дополнительного регистра памяти и третьего дополнительного триггера, второй вход которого соединен с шиной "Запись", первый вход первого дополнительного счетчика импульсов соединен с выходом счетчика-делителя частоты на два и первым входом накапливающего сумматора, а второй вход — с шиной "Сброс", вторым входом накапливающего сумматора, первыми входами второго дополнительного счетчика импульсов и счетчика-делителя частоты на два, второй вход которого Е

O соединен с выходом первого дополнительного элемента И и вторым входом второго дополнительного счетчика импульсов, выходы которого соединены с третьими входами накапливающего сумиатора, причем выходы первого до- р полнительного счетчика импульсов и капливающего сумматора соответственно соединены с вторыми входами блока сравнения кодов и дополнительного регистра паг1яти при степенной характеристике преобразования с по-: казателем 2 или с вторыми входами дополнительного регистра памяти и блока сравнения кодов соответственно при степенной характеристике преобразования с показателем 1/2.

1112550

Изобретение относится к импульсной технике и используется s устройствах связи первичных преобразователей физических параметров с цифровыми устройствами обработки автоматизированных систем управления.

По основному авт. св. 9 921079 известен аналого-цифровой преобразователь, содержащий два блока сравнения напряжений, первые входы которых объединены,. выход первого блока сравнения напряжений через первый формирователь импульсов подключен к входу "Запись" регистра памяти, выход второго блока сравнения напряжения через второй формирователь и лпульсов подключен к первому входу триггера, суммирующий счетчик импуль сов, разрядные выходы которого подключены к соответствующим входам регистра памяти, четыре счетчика импульсов, блок вычитания частот, два дополнительный триггера, два ключа, конденсатор, резистор, три элемента

И, элемент ИЛИ-НЕ, ждущий мультивибратор, два дополнительных формирователя импульсов, потеициометр, причем первый выход первого ключа через резистор подключен к первому выводу потенциометра, подвижный контакт которого подключен к второму входу второго блока сравнения напряжений, первые входы первого и второго блоков сравнения напряжений — к второму выходу первого ключа, первому выходу второго ключа и первой обкладке конденсатора, вторая обкладка которого, а также второй выход второго ключа и второй вывод потенциометра соединены с общей шиной, второй вход триггера подключен к первым входам первого и второго дополнительных триггеров, к выходу первого дополнительного формирователя импульсов и выходу .и сброс суммирующего счетчика импульсов, выход которого подключен к второму входу второго дополни20

45 тельного триггера, первые выходы триггера и второго дополнительного триг,гера — соответственно к первому и второму входам первого элемента И, выход которого подключен к первому входу элемента ИЛИ-НЕ, вторые выходы

50 триггера и второго дополнительного триггера — соответственно к первому и второму входам второго элемента И и первым входам третьего и четверто55 та ИЛИ-НЕ, выход которого подключен к второму входу элемента ИЛИ-НЕ,, выход которого — к входу второго дополнительного формирователя импульСов и к вторым входам третьего и четвертого элементов И, третьи входы которых объединены, а выходы подключены соответственно к суммирующему

ro элементов И, выход второго элемента И подключен к второму входу элемени вычитающему входам первого счетчи.ка импульсов, выход второго дополнительного формирователя импульсов подключен к второму входу первого дополнительного триггера и входу ждущего мультивибратора, выход которого подключен к входу первого дополнительного формирователя импульсов, первый и второй выходЫ первого допол. нительного триггера подключены сооТветственно к входам первого и второ- го ключей, разрядные выходы первого счетчика импульсов подключены к соответствующим входам второго счетчика импульсов. а выход — к первому входу блока вычитания частот и счетному входу третьего счетчика, импульсов, выход которого подключен к счетному входу четвертого счетчика импульсов, группа входов которого подключена к разрядным выходам суммирующего счетчика импульсов, а выход - к второму входу блока вычитания частот, выход которого подключен к счетному входу суммирующего. счетчика импульсов (1).

Недостатком известного устройства являются его ограниченные функциональные возможности.

Характеристика преобразования аналого-цифрового преобразователя линейна, что требуется только при связи линейных первичных преобразователей физических параметров с цифровыми устройствами обработки информации. На практике ряд первичных преобразователей (датчиков) обладает нелинейной характеристикой, с большой точностью аппроксимируемой степенной функцией с показателем степени 1/2 (например, виброчастотные датчики силы) или 2 (термометры сопротивлений и т.д.). Это требует в дальнейшем при обработке цифровой информации специальных устройств для возведения в квадрат илн извлечения квадратного корня из двоичного кода, что приводит к увеличению габаритов устройства, его стоимости.

Цель изо6ретения — расширение функциональных воэможностей путем обеспечения степенных характеристик преобразования с показателем два или одна вторая.

Поставленная цель достигается тем, что в аналого-цифровой преобразователь введены два дополнительных счетчика импульсов, счетчик-делитель частоты на два, накапливающий сумматор, дополнительный регистр памяти, дополнительный третий триггер, блок сравнения кодов, два дополнительных элемента И, первый вход первого из которых соединен с дополнительной шиной опорной частоты, второй вход— с первым выходом блока сравнения кодов, первые входы которого соединены с входами регистра памяти, второй

1112550 выход — с первым входом второго дополнительного элемента И, второй вход которого соединен с выходом третьего дополнительного триггера, а выход — с первыми входами дополнительного регистра памяти и третьего дополнительного триггера, второй вход которого соединен с шиной "Запись", первый вход первого дополнительного счетчика импульсов соединен с выходом счетчика-делителя частоты на два и первым входом накапливающего сумматора, а второй вход — с шиной

"Сброс", вторым входом накапливающего сумматора, первыми входами второ

ro дополнительного счетчика импуль- 15 сов и счетчика-делителя частоты на . два, второй вход которого соединен с выходом первого дополнительного эле.мента И и вторым входом второго дополнительного счетчика импульсов, выходы которого соединены с третьими входами накапливающего сумматора, причем выходы первого дополнительного счетчика импульсов и накапливающего сумматора соответственно соединены с вторыми входами блока сравнения кодов и дополнительного регистра памяти при степенной характеристике преобразования с показателем 2 или с вто рыми входами дополнительного регистра памяти и блока сравнения кодов соответственно при степенной характеристике преобразования с показателем

1/2.

На Фиг. 1 показана структурная схема аналого-цифрового преобразователя для извлечения квадратного корня, на фиг. 2 — то же, для возведения в квадрат.

Аналого-циФровой преобразователь содержйт счетчики 1-5 импульсов (иэ . 40 которых счетчик 2- суммирующий счетчик импульсов), регистр 6 памяти, блок 7 вычитанйя частот, триггеры 810 с раздельным запуском (из которых триггеры 8 и 10 — дополнитель- 45 ные триггеры), ключи 11 и 12, блоки

13 и 14 сравнения напряжений, конденсатор 15, элементы И 16-19, элемент ИЛИ-НЕ 20, ждущий мультивибратор 21, формирователи 22-25 импульсов, отенциометр 26, резистор 27, счетчики 28 и 29 импульсов, счетчикделитель 30 частоты на два, дополнительный накапливающий сумматор 31, дополнительный регистр 32 памяти, блок 33 сравнения кодов, третий дополнительный триггер 34 и два дополнительных элемента И 35 и 36.

Выход счетчика 1 импульсов соединен с первым входом блока 7 вычитания частот, выход которого соединен 60 с входом счетчика 2 импульсов, выход которого соединен с входом счетчика

5 импульсов, второй вход которого соединен с входом счетчика 4 импульсов, а второй вход счетчика 1 импуль- 65 а второй вход — с выходом первого элемента И 35 и входом счетчика-делителя 30 частоты на два, выход которого соединен с входом второго дополнительного счетчика 29 импульсов, выход которого соединен с дополнительным регистром 32 памяти при показателе, равном 1/2 и с входом блока 33 сравнения кода при показателе, равном 2, второй вход регистра 32 памяти соединен с выходом элемента И 36, вход которого .соединен с выходом триггера 34, выход накапливакщего сумматора 31 — с входом блока 33 сравнения кодов при показателе, равном 1/2, и регистром 32 памяти при показателе 2

В основу,hopMHpoBBLHHH степенной характеристики преобразования каК с показателем 2, так и 1/2, расширявBlMx функциональные возможности преобразователя, положена следующая закономерность нечетных чисеЛ арифметического ряда:

2

22

32 =

42 =

1

9 (1)

16

25 и т.д.

1+3

1+ 3+5

1+3+5+7

1+3+5+7+9

В общем виде для числа и и = Z (2i -1). =л

Выражение (11 является алгоритьюм вычисления квадрата числа и.

Отсюда можно записить следующий алгоритм вычисления квадратного кор

Яя: (2) 1п2 = и

n2 â€, . (2i -1) = О. ч при

Преобразователь работает следующим образом. сов — с выходом счетчика 3 импульсов, вход счетчика импульсов 5 соединен с входом регистра 6 памяти, входы триггера 8 — соответственно с выходом формирователя 25 импульсов и входом триггеров 9 и 10-, а выходы— с входами ключей 11 и 12, выходы которых соединены с входами блоков 13 и 14 сравнения и, конденсатооа 15. вхоД элемента И 16 соединен с входом элемента И 18, входы элемента И 17 с выходами триггеров 9 и 10, а выход — с входом элемента ИЛИ-НЕ, выход которого соединен с входом элемента И 19 и входом Формирователя 24 импульсов, выход которого соединен с входом ждущего мультивибратора 21, потенциометр 26 через резистор 27 соединен с входом ключа 11, первый вход дополнительного счетчика 28 с входом накапливавмцего сумматора 31,, 1112550 (6) ь» и и, о (8) йк

N 10 > И„

25 (9) ) 2 10 f (3) (10) 1

U=U(1 — e% ) (4) Аналоговый сигнал Uq» поступает на первый вход блока 13 сравнения напряжений. На счетный вход счетчика 1 поступает последовательность импульсов эталонной частоты f на первые входы элементов И 18 и 19 — последовательность импульсов с частотой

В исходном состоянии при нулевых значениях аналоговой и цифровой экспонент с шины "Сброс" основного кана-. ла преобразования поступает импульс, который устанавливает накапливающий сумматор 31,счетчики 28 и 29 импульсов и триггер 34 в нулевое состояние, а счетчик-делитель 30 частоты на 2 — в состояние логической "1". 15

Соотношение между опорными частотами f> основного канала преобразования и Г", поступающей на вход элемента И 35, (а также разрядность счет чика 2 основного канала преобраэова- 2О ния и счетчика 29 импульсов) выбирается исходя из требуемой погрешности вычислений и равно при требуемой точности вычислений квадратного корня до к-ro знака после запятой

Начало цикла преобразования опре деляет сигнал с выхода формирователя 3О

25, который, поступая на первые вхо" ды iðèããåðoâ 8-10, устанавливает их в исходное состояние и осуществляет сброс счетчика 2. Единичные сигналы с первых выходов триггеров 9 и 10 че- 35 рез элементы И 16, ИЛИ-НЕ 20 поступают на вторые входы элементов И 18 и 19, запрещая прохождение частоты через них на входы счетчика 3.

Единичный сигнал с первого выхода триггера 8 замыкает ключ 11, подключающий конденсатор 15 .к источнику напряжения U . Одновременно начинают. ся заряд конденсатора 15 через ре. зистор 27 и набор информации в счетчике 2, начиная с нулевого значения. 45

Во время заряда конденсатора напряжение на нем изменяется по закону где t — текущее время, Т вЂ” постоянная времени аналоо гового генератора (заряда конденсатора 15); е — основание натурального лога-55 рифма.

Выходной код счетчика 2 изменяется по закону

N< = N0(1 — е ч ), (5) 60 где И вЂ” код, к которому стремится цифровая экспонента;

Т вЂ” постоянная времени цифровоЧ

ro генератора. 65

Из выражения 41 получаем — -Ta1n(1 — ---)

Uï и, подставив в выражение (51, имеем

М = N И вЂ” (1 — --- ) -- 1 (7)

UÄ т,, отсюда при Т =Т получаем линейную зависимость кода в счетчике 2 от изменения напряжения на конденсаторе 15

ПpH U„„„= U срабатывает блок 13 и сигнал с его выхода через формирователь 22 производит запись кода из счетчика 2 в регистр б.

Одновременно при начале формирования аналоговой и цифровой экспо33 нент сигнал "Сброс" снимается Б лок сравнения кодов выдает сигнал логической "1". при соотношении или в частном случае, при к =2

10000N ) N вде N2. — код, набранный в счетчике 2

И, — код на выходе накапливающего сумматора 31.

После поступления первого импульса на вход счетчика 2 на выходе блока 33 сравнения кодов появляется сигнал логической "1" и импульсы с частотой начинают проходить на входы счетчика 28 импульсов и счетчика-делителя 30 частоты на два. После первого импульса, насчитанного счетчиком 28, на выходе счетчика-делителя 30 появляется отрицательный перепад напряжения, по которому осуществляется суммирование содержимого счетчика 28 (1) с содержимым накапливающего сумматора 31 ; 01 . Одновременно срабатывает счетчик 29 импульсов.

Так при к = 2 10000Nz = 10000>N,=

1, на выходе блока 33 сравнения кодов остается сигнал логической "1" и с третьим импульсом частоты осуществляется суммирование с содержимым накапливающего сумматора 31 числа 3, с пятым импульсом — числа

5 и т.д.

После двухсотого импульса частоты f," в накапливающем сумматоре 31 появляется число 10000, что соответствует числу 100(1,00), сосчитанному счетчиком 29 импульсов на выходе блока 33 сравнения кодов, соответственно на выходе первого элемента

И 35 появляется сигнал логического

"0", и импульсы на вход счетчика 28

1112550 импульсов и счетчика-делителя 30 нь проходят.

ПосЛе поступления второго импульса на вход счетчика 2 основного канала преобразования процесс повторяется, на момент окончания преобразования в счетчике 29 набрано число 142(1,42).

Преобразование происходит аналогич но до того момента, пока не сравняются входные напряжейие преобразователя и напряжение аналоговой экспоненты. При этом срабатывает блок 13 сравнения напряжений, на шине "Запись" появляется импульс который перебрасывает триггер 34 и на вто- 15 ром входе элемента И 36 появляется сигнал логической "1". Ilo окончании преобразования на инверсном выходе блока 33 сравнения кодов также появляется сигнал логической "1", который2(> поступает на первый вход элемента

И 36, при этом с выхода элемента И

36 на вход регистра 32 памяти поступает сигнал записи. содержимое счетчика 29 переписывается в регистр 25

32 и поступает на выход преобразователя.

Сигнал логической "1" с выхода эле. мента И 36 устанавливает триггер 34 в исходное состояние, на первом входе элемента И 36 появляется сигнал логического "0". запрещая прохождение импульсов записи на вход регистра 32.

По окончании аналоговой и цифровой экспонент вновь формируется сигнал "Сброс" и процесс преобразования в дальнейшем повторяется.

Таким образом, на выходе регистра 6 Памяти преобразователя формируется код, пропорциональный входному напряжению U „, а на выходе регистра 32 памяти — пропорциональный корню квадратному из входного напряжения С,.

Аналогично осуществляется процесс возведения кода в квадрат (фиг; 2) .

Так как при этом к блоку 33 сравнения кодов подключены информационные выходы счетчика 29 импульсов, а выходы накапливающего сумматора 31 регистру 32 памяти, в последний записывается код, пропорциональный квадрату входного напряжения QU i .

Значение опорной частоты при этом выбирается из соотношения

fo )i 2fo

Таким образом, технико-экономичес. ким преимуществом предлагаемого преобразователя является то, что он позволяет преобразовывать в цифровой код аналоговые сигналы как датчиков с линейной характеристикой, так и степенной с показателями 2 или 1/2 и одновременно его линеаризовывать.

Составитель A.Êóçíåöîâ

Редактор С.Саенко Текред И.Кузьма Корректор Е.Сирохман

Заказ 6467/43 Тираж 861 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

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