Функциональный аналого-цифровой преобразователь

 

091 1И) ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР .

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И OTHPblTI44

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Н АВ ГОРСИОММ СЮФДЕТЕЛЬСТБУ (21) 3593316/18-24 (22} 19.05.83 (46) 15.09.84. Бюл. К- 34 (72) В.Я.Грошев (71) Научно-исследовательский институт электронной интроскопии при

Томском ордена Октябрьской Революции и ордена Трудового Красного Знамени политехническом институте им.С.М.Кирова (53) 681.335(088.8) (56) 1. Авторское свидетельство СССР

У 706924, кл. Н 03 К 13/02, 1977.

2, Патент США К 4110746, кл. Н 03 К 13/02, опублик. 1978.

3. Авторское свидетельство СССР по заявке У 3496095, кл. G 06 С, 7/26, 1982 (прототип). (54)(57) ФУНКЦИОНАЛЬНЫЙ АНАЛОГО-ЦИФРОВОЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ, содержащий регистр, выходы которого являются выходами преобразователя, а вход управления записью соединен с выходом порогового блока, подключенного входом к входу ограничителя и.выходу неинвертируннщего операционного усилителя, соединенного входом с выходом инвертирующего интегратора, вход которого подключен к выходам первого и второго ключей, информационный вход первого ключа через первый масштабный резистор соединен с входом преобразователя, информационный вход второго ключа подключен к первому выводу второго масштабного резистора, а управляющие входы первого и второго ключей соединены соответственно с первым и вторым выходами триггера управления, подключенного

y g С 06 С 7/26 Q 06 J 3/00 счетным входом к выходу старшего разряда первого счетчика, соединенного счетным входом с выходом переноса второго счетчика, подключенного счетным входом к выходу первого тактового генератора, и источник опорного сигнала, содержащий узел, формирования производной, группу потенциометров и два мультиплексора, причем узел формирования производной выходом соединен с вторым выводом второго масштабного резистора, управляющими входами — с выходами разрядов второго с етчика, а аналоговыми входами — с выходами первого и второго мультиплексоров,управляющие входы которых подклю- g чены к выходам разрядов первого счетчика причем каждый потенциометр группы соединен первым и вторым выводами с выходом ограничителя и шиной общего потенциала преобразователя соответст- ©

C венно, вывод подвижного контакта каждого 1-ro (1 s 4n- 1), где n-— ° количество потенциометров в группе) потенциометра группы подключен к (1 + 1)-му сигнальному входу первого мультиплексора и к -му сигнальному входу второго мультиплексора, а вывод подвижного контакта n-ro потенциометра группы соединен с и-м сигнальным входом второго мультиплексора, отличающийся тем, что, с целью повышения точности преобразователя и расширения области его )фЬ применения, в преобразователь дополнительно введены третий счетчик, второй тактовый генератор, третий ключ, триггер полярности, третий масштабный резистор и дешифратор, подключенный входами к выходам разрядов первого счетчика, а выходом — к входу управления реверсом второго счетчика, причем первый сигнальный вход первого мультиплексора соединен с вторым сигнальным входом второго мультиплексо- . ра, выход второго тактового генератора подключен к счетному входу третьего счетчика, соединенного выходами разрядов с информационными входами регистра, а входом обнуления - с управляющим входом второго тактового генератора и первым выходом триггера

13313 управления, подключенного вторым выходом к стробирующему входу триггера полярности, соединенного информационным входом с выходом неинвертирующего операционного усилителя, а выход ограничителя через третий масштабной резистор подключен к выходу третьего ключа, соединенного информационным входом с входом инвертирующего интегратора, à управляющю» входом — с входом noporosoro бло- ка, Изобретение относится к автоматике и вычислительной технике, в частности к преобразователям аналоговой величины в код, предназначенным для компенсации нелинейнЬсти измеритель- 5 ных датчиков.

Известен функциональный аналогоцифровой преобразователь, содержащий интегратор, ключи, источники опорных напряжений, компаратор, логический:

10 блок, сумматоры переключатель, инвертор, и масштабный блок f.13.

Известен также функциональный ана" лого-цифровой преобразователь, содержащий интегратор, ключи, масштабные резисторы, источник опорного напряже" ния, триггер, токовый генератор, счетчик н компаратор (2).

Общие недостатки этих преобразователей — пониженная точность и ограни-

20 ченная область применения.

НаибоЛее. близким к изобретению является функциональный аналого-цифровой преобразователь, содержащий регистр,, выходы которого являются выходами преобразователя, а вход .управления запйсью соединен с выходом порогового блока, подключенного входом к входу ограничителя и выходу 30 неинвертирующего операционного усилителя, соединенного входом с выХодом инвертирующего интегратора, вход которого подключен к выходам перво.го и второго ключей, информационный вход первого ключа через первый масштабный резистор соединен с входом преобразователя, информационный вход второго ключа подключен к первому выводу второго масштабного резистора, а управляющие входы первого и второго ключей соединены соответственно с первым и вторым выходами триг-. гера управления, подключенного счетным входом к выходу старшего разряда первого счетчика, соединенного счетным входом с выходом переноса второго счетчика, подключенного счетным входом к выходу первого тактового генератора, и источник опорного сигнала, содержащий узел формирования производной, группу потенциометров и два мультиплексора, причем узел формирования производной выходом соединен с вторым выводом второго масштабного резистора, управляющими входами — с выходами разрядов второго счетчика, а аналоговыми входами — с выходами первого и второго мультиплексоров, управляющие входы которых подключены к выходам разрядов первого счетчика, причем каждый потенциометр группы соединен первым и вторым выводами с выходом ограничителя и шиной общего потенциала преобразователя соответственно, вывод подвижного контакта каждого 1 -го (1 1 4 п -1,. где и — количество потенциометров в группе) потенциометра группы подключен к (» + 1)-му сигнальному входу первого мультиплексора и к » -му сигнальному входу второго мультиплекculpa, а вывод подвижного контакта

»-ro потенциометра группы соединен. с » -м сигнальным входом второго мультиплексора, причем информационные

1113 входы регистра соединены с выходами первого и второго счетчиков (3 3.

Недостаток преобразователя — пониженная точность из-за невозможности автоматической установки значения параболической составляющей на первом интервале аппроксимации, а также из-за включения между выходом ограничителя и входом неинвертирующего интегратора источника опорного сигнала,10 коэффициент передачи которого может быть существенно меньше единицы,что снижает глубину. отрицательной обратной связи в уравновешенном режиме.

Кроме этого, преобразователь не позволяет осуществить вывод информации непосредственно в единицах измере. ния и не имеет индикации полярности преобразуемого сигнала, что ограничивает область его применения.

Цель изобретения — повышение точ.ности преобразователя и расширение области его применения.

Поставленная цель достигается тем, 2S что в функциональный анало го-цифровой преобразователь, содержащий регистр, выходы которого являются выходами преобразователя, а вход управления записью соединен с выходом порогово- 30 го блока,,подключенного входом к входу ограничителя и выходу неинвертирующего операционного усилителя, соединенного входом с выходом инвертирующего интегратора, вход которого 35 подключен к выходам первого и второго ключей, информационный вход первого ключа через первый масштабный резистор соединен с входом преобразователя, информационный вход второго 40 ключа подключен к первому выводу второго масштабного резистора, а управляющие входы первого и второго ключей соединены соответственно с первым и вторым выходами триггера управле- 4> ния, подключенного счетным входом к выходу старшего разряда первого счетчика, соединенного счетным входом с выходом переноса второго счетчика, подключенного счетным входом к выхо— ду.первого тактового генератора, и источник опорного сигнала, содержащий узел формирования производной, группу потенциометров и два мультиплексора, причем узел формирования производной выходом соединен с вторым выводом второго масштабного резистора, управляющими входами — с выходами

813 4 разрядов второго счетчика, а аналоговыми входами — с выходами первого и второго мультиплексоров ° управляющие входы которых подключены к выходам разрядов первого счетчика, причем каждый потенциометр группы соединен первым и вторым выводами с выходом ограничителя и шиной общего потенциала преобразователя соответственно, вывод подвижного контакта каждого

1-го (14 « n — 1, где п — количестho потенциометров в группе) потенциометра группы подключен к (1 + 1)-му сигнальному входу первого мультиплексора и к 1 -му сигнальному входу второго мультиплексора, а вывод подвижного контакта n -ro потенциометра группы соединен с и -и сигнальным входом второго мультиплексора, дополнительно введены третий счетчик, второй тактовый генератор, третий ключ, триггер полярности, третий масштабный резистор и дешифратор, подключенный входами к выходам разрядов первого счетчика, а выходом — к входу управления реверсом второго счетчика, причем первый сигнальный вход первого мультиплексора соединен с вторым сигнальным входом второго мультиплексора, выход второго тактового генератора подключен к счетному входу третьего счетчика, соединенного выходами разрядов с информационными входами регистра, а входом обнуления — с управляющим входом второго тактового генератора и первым выходом триггера управления подключенного вторым выходом к стробируюшему входу триггера полярности, соединенного инфор" мационным входом с выходом, неинвертирующего операционного усилителя, а выход ограничителя через третий масштабный резистор подключен к выходу третьего ключа, соединенного информационным входом с входом инвертирующего интегратора, а управляющим входом — с выходом порогового блока.

На фиг. 1 изображена блок-схема преглагаемого функционального аналого-цифрового преобразователя, на фиг. 2 — функциональная схема источника опорного сигнала, на фиг. 3 - схема второго тактового генератора.

Функциональный аналого- цифровой преобразователь (фиг. 1) содержит первый и второй масштабные реэисторы 1 и 2, первый и второй ключи 3

11138 и 4, инвертирующий интегратор 5 третий ключ 6, третий масштабный резистор 7 ° неинвертирующий операционный усилитель 8, пороговый блок 9, триггер 10 управления, ограничитель

11, источник 12 опорного сигнала, первый и второй счетчики 13 и 14, дешифратор 15, первый тактовый генератор 16, третий счетчик 17, второй тактовый генератор 18, триггер

19 полярности и регистр 20. Источник.

12 опорного сигнала (фиг. 2) содержит первый мультиплексор 21, группу

22 потеициометров, второй мультиплексор 23 н узел 24 формирования произ водной. Регистр 20, выходы которого являются выходами преобразования, соединен входом управления записью с выходом порогового блока 9, подклю" ченного входом к входу ограничителя

1 1 и выходу операционного усилителя

8. Вход усилителя 8 соединен с выхо- дом интегратора 5, вход которого подключен к выходам ключей 3 и 4, информационный вход ключа ) через масштаб- 2 ный резистор 1 соединен с входом преобразователя; информационный вход ключа 4 подключен к первому выводу масштабного резистора 2, а управляющие входы ключей 3 и 4 соединены со- ЗО ответственно с первым и вторым выходами триггера 10. Счетный вход триг-, гера 10 подключен к выходу старшего разряда счетчика 13, соединенного счетным входом с выходом переноса счетчика 14, подключенного счетным входом к выходу тактового генератора

16. Узел 24 формирования производной соединен выходом с вторым выводом масштабного резистора 2, управ- 40 ляющими входами — с выходами разрядов счетчика 14, а аналоговыми входами— с выходами мультиплексоров 21 и 23, I управляющие входы которых подключены к выходам разрядов счетчика 13. 4S

Каждый потенциометр группы 22 соединен первым и вторым выводами с выходом ограничителя 11 и шиной общего потенциала преобразователя соответственно. Вывод подвижного контак- о та каждого i -ão (1 ь 4 и — 1; где и — количество потенциометров в группе) потенциометра группы 22 подключен к (! + 1)-му сигнальному входу мультиплексора 21 и к i --му сигнально- му входу мультиплексора 23, вывод подвижного контакта и -го потенциометра группы 22 соединен с и -м сиг13 а нальным входом мультиплексора 23, а первый сигнальный вход мультиплексора 21 соединен с вторым сигнальным входом мультиплексора 23. Дешифратор

15 подключен входами к выходам разря дов счетчика 13 а выходом —. к вхо ду управления реверсом счетчика 14. Выход тактового генератора 18 подключен к счетному входу счетчика 17,,соединенного выходами разрядов с ин формационными входами регистра 20, а входом обнуления — с управляющим входом тактового генератора 18 и с первым выходом триггера 10, второй выход триггера 10 подключен к строби. рующему входу триггера 19, соединенного информационным входом с выходом усилителя 8. Выход ограничителя 11 через резистор 7 подключен к выходу ключа 6, соединенного информационным входом с входом интегратора 5, а уп- равляющим входом — с выходом порогового блока 9. ! !

Тактовый генератор 18 с управляющим входом (фиг. 3), по которому осуществляется фиксация фазы, содержит резистор" 25, включенный между управ— ляющимн входом и базойтранзистора 26, источник 27 смещения, времязадающий конденсатор 28, переменный резистор

29, резисторы 30 и 31 положительной обратной связи и операционынй усилитель 32.

В первом такте интегрируется входное. напряжение, приложенное к входу интегратора через резистор 1 и ключ

3. Этому способствует соответствую.Щее состояние триггера 10 управления.

Поскольку усилитель 8 обладает большим коэффициентом усиления, то практически вместе с поступлением тока на вход интегратора 5 он попадает в режим насыщения, при этом фазы передачи сигнала интегратором 5 и усилителем 8 выбраны таким образом, что напряжение насыщения на выходе усилителя 8 всегда имеет противопо1 ложную полярность по отношению к !

)полярности входного напряжения креобразователя. Это позволяет с помощью ограничителя 11 сформировать опорное напряжение необходимой полярности, которое подается на вход источника 12 опорного сигнала. Счетчики 13 и 14 непрерывно производят.подсчет импульсов тактового генератора

16, а в момент возвращения в нулевое состояние — переключают триггер

7 11138

1О управления. При этом размыкается ключ 3 и замыкается ключ 4, подключая .. тем самым к входу интегратора 5 через резистор 2 выход источника 12 опорного сигнала. Источник 12 опорно" го сигнала не меняет полярность напряжения, поступающего от ограничителя 11, поэтому интегратор начинает разряжаться. Разряд продолжается до тех пор, пока интегратор 5 не воэвра- 10 тится в исходное состояние, после чего интегратор 5 и усилитель 8 оказываются охваченными обратной отрицательной связью через ограничитель 11 и источник 12 опорного сигнала, что 15 позволяет исключить разрядный ключ для емкости интегратора 5 и устра- нить погрешность преобразования, свя занную со сдвигом на входе усилите-, ля 8. 20

8 передачи источника 12 опорного сигнала имеет вид

0 »ц, Uî — А»(К,-K»,)

K»»K IA -fA

tn l

Таким образом, значение второй разности в данном случае находят по известным значениям первых разностей. При этом значение выходного напряжения источника 12 опорного сигнала для первого и второго участков аппроксимации в их общей узловой точке составляет U (К, + К,)/2. Следовательно, первая производная функции линеариэации на обоих участках не имеет разрывов и является (без учета .квантового характера) прямой линией .

Поэтому выходное напряжение интегратора 5 для этих двух участков аппроксимации является точной параболой.

Вьасодное напряжение источника . 12 опорного сигнала является функцией

-выходного кода счетчиков 13 и 14, поэтому функция разряда интегратора является нелинейной, что позволяет осуществить функциональное преобразование значений входного сигнала.

Источник 12 опорного сигнала функ- 0 ционирует в соответствии с выражением,г к;+к;-» gbtX о(+("»,л-»1

1 ,л-»

35 где U выходное напряжение ограничителя, коэффициенты деле ния потенциометров группы 22, используемых íà i -м учаСтке an- 40 проксимации, кодовый интервал, соответствующий каждому участку аппроксимации, текущее значение кода вну-. — 4> ри интервала О, n> „„).

К. К. ч»-»

После интегрирования это выражение преобразуется в первую интерполя\ .цнонную формулу Ньютона, вычисленную до вторых разностей, которая позволяет определить значение параболической составляющей на всех участках аппроксимации, кроме первого. Определение параболической составляющей на этом участке можно осуществить, используя вторую интерполяционную формулу Ньютона, при этом функция

При сокращении числа узлов функции линеариэации до двух устройство реализует степенную функцию второго порядка, программируемую по трем точкам (нуль, максимум и одно промежуточное значение), преобразуясь в параболический аппроксиматор.

Для реализации рассмотренного алгоритма первый сигнальный вход мультиплексора 21 соединен с вторым сигнальным входом мультиплексора 23, что позволяет на первом и втором участках аппроксимации испольэовать одно значение второй разности, а для формирования кодовой последователь ем ности вида в счетчике 14

m „„1„ использован реверсивный режим работы.

Для включения реверса на первом участке аппроксимации используется дешифратор 15, подключенный к выходам разрядов счетчика 13.

Очевидно, что использование реверса на первом участке аппроксимации приводит к нарушению однозначной связи между значениями входного напряжения и выходным кодом счетчиков 13 н 14

Поэтому в устройство введен счет- - чик 17, наличие которого позволяет не только обеспечить необходимое функциональное соответствие между входным напряжением и индицируемым результатом, но и осуществить индикацию результата преобразования непосредственно в единицах измеряемого параметра, что достигается путем установки необходимой частоты тактового генератора 18 при программировании с по9

1113813 мощью потенциометра 22. Для обеспечения точного фазового соотношения между кодами. счетчиков 13, 14 и 17 в первом такте интегрирования с соответствующего выхода триггера 10 управления на вход обнуления счетчика 17 поступает сигнал сброса„ который снимается одновременно с началом второго такта интегрирования.

В процессе ввода значений при программировании в программный блок 22 с помощью соответствующих коммутирующих устройств вход счетчика 17 подключается к выходу тактового генератора 16, при этом обеспечивается абсолютная согласованность кодовых последовательностей счетчиков во втором такте интегрирования.

В рабочем режиме, когда входы счетчиков 14 и 17 подключены соответственно к выходам тактовых генераторов 16 и 18, возникает фазовая погрешность за счет фазовой несог-ласованности импульсных последовательностей обоих тактовых генераторов, что проявляется в неустойчивости отсчета в младшем разряде выводимого результата. Для устранения этой неустойчивости в структуре тактового генератора 18 предусмотрена цепь фиксации фазы, содержащая резистор 25, транзистор ?6 и источник

27 смещения, которая управляется с соответствующего выхода триггера

10 управления и позволяет обеспечить постоянную фазу выходного напряжения тактового генератора 18 с начала второго такта интегрирования.

В момент установления начального режима в интеграторе 5 на выходе порогового блока 9 формируется импульс, по переднему фронту которого осуществляется запись кода счетчика 17 в регистр 20, откуда информация следует к устройствам индикации результата. Кроме того, выходной импульс порогового блока 9 замыкает ключ 6, при этом сигнал обратной связи с выхода ограничителя 11 поступает на вход интегратора 5, минуя источник

12 опорного сигнала.

Использование ключа 6 и резисто15 ра 7 позволяет исключить влияние к . эффициентов передачи группы ?2 потенциометров на точность установки начальных условий интегратора 5, особенно при наличии сдвиг."; на его входе, и повысить точность преобразования.

Для расширения области применения преобразователя и упрощения процесса программирования в нем используется триггер 19 полярности, запись информации о полярности входного сигнала в который осуществляется в момент окончания первого такта интегрирования, что обеспечивает максимальную помехозащищенность записи информации о полярности входного сигнала.

Таким образом, введение новых.узлов и элементов позволяет повысить точность предлагаемого преобразователя и расширить область его применения

35 а также сократить объем операций программирования и исключить использование квалифицированного труда при эксплуатации устройства.

1113813

Фиг.2

Составитель С.Казинов

Редактор М.Келемеш Техред И.Асталош Корректор С.черни

Заказ 6621/41 Тираж 698 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