Аналого-цифровой преобразователь с частотным преобразованием

 

АНАЛОГО-ЦИФРОВОЙ ПРЕОВРАЗОВАТЕЛЬ С ЧАСТОТНЫМ ПРЕОБРАЗОВАНИЕМ , содержащий аналоговый переключатель , первьй информационньй вход которого соединен с входной шиной, а выход - с входом преобразователя напряжения в частоту импульсов, выход которого соединен с первым входом первого элемента И, генератор эталонной частоты, выход которого соединен с первым входом второго эле-. : мента И, одновибратор гашения, выход которого соединен с входом сброса., первого счетчика и с единичным входом триггера такта, единичный выход которого соединен с управлякяцими входами аналогового переключателя и суммирования реверсивного счетчика, нулевой выход -.с управляющим входом вычитания реверсивного счетчика, а нулевой вход - с выходом переполнения первого счетчика, триггер цикла , единичный выход которого соединен с вторым входом второго.элемента И, а нулевой вход - с выходом переполнения реверсивного счетчика, элемент ИЛИ, отличающийс я тем, что, с целью повьшения . быстродействия, в него введены аналоговый ключ, второй счетчик, третий и четвертый элементы И, аналоговый вычитатель, первый вход которого соединен с шиной опорного напряжения, выход - с вторым информационным входом аналогового переключателя, а второй вход - с выходом аналогового ключа, информационный вход которого соединен с входной шиной, а управляющий вход - с выходом четвертого элемента И, первый вход которого соединен с единичным выходом триггера цикла, единичньй вход которого i (Л соединен с нулевым входом триггера такта, при этом второй вход четвертого элемента И соединен с первым входом третьего элемента И и с единичным выходом старшего разряда второго счетчика, нулевой выход старшего разряда которого соединен с вторым входом первого элемента И, выход которого соединен со счетным входом СП второго разряда первого счетчика, а о третий вход - с единичным выходом триггера такта и с вторым входом треО5 тьего элемента И, выход которого соесо динен с первым входом элемента ИЛИ, второй вход которого соединен с выходом второго элемента И, а выход - с входом первого разряда первого счетчика ,выходы разрядов которого соединеныс выходными шинами,причем третий вход третьего элемента И соединен с выходом генератора эталонной частоты и со счетным входом второго счетчика,вход сброса которого соединен с входами сброса первого и реверсивного счетчиков,счетный вход последнего соединен с выходом преобразователя напряжения в частоту импульсов.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК

4 Р О

ВСССОИЕИАЯ

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНЙЯ

К ABTGPCHOMV СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ЕКБЖОХЕЕ.»"1

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАЮ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ (21) 3655241/24-21 (22) 20.10.83 (46) 15.04.85. Бюл. Ф 14 (72) П.M.Àíèêèí, И.А.Бабанов и Л.М.Лукьянов (71) Всесоюзный научно-исследовательский институт электромеханики (53) 681.325(088.8) (56) 1. Прянишников В.А. Интегрирующие цифровые вольтметры постоянного тока. Л., ".Энергия, 1976, с. 169.

2. Авторское свидетельство СССР

9 486473, кл. Н 03 К 13/20, 1975 (прототип) . (54) (57) АНАЛОГО-ЦИФРОВОЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ С ЧАСТОТНЫМ ПРЕОБРАЗОВАНИЕМ, содержащий аналоговый переключатель, первый информационный вход которого соединен с входной шиной, а выход — с входом преобразователя напряжения в частоту импульсов, выход которого соединен с первым входом первого элемента И, генератор эталонной частоты, выход которого соединен с первым входом второго эле-. мента И, одновибратор гашения, выход которого соединен с входом сброса первого счетчика и с единичным входом триггера такта, единичный выход которого соединен с управляющими входами аналогового переключателя и

% суммирования реверсивного счетчика, нулевой выход — с управлякщим входом вычитания реверсивного. счетчика, а нулевой вход - с выходом переполнения первого счетчика, триггер цикла, единичный выход которого соединен с вторым входом второго элемента И, а нулевой вход — с выходом переполнения реверсивного счетчика, элемент ИЛИ, о т л и ч а ю щ и й—

„„SU„„1150769 с я тем, что, с целью повышения быстродействия, в него введены аналоговый ключ, второй счетчик, третий и четвертый элементы И, аналоговый вычитатель, первый вход которого соединен с шиной опорного напряжения, выход — с вторым информационным входом аналогового переключателя, а второй вход — с выходом аналогового ключа, информационный вход которого соединен с входной шиной, а управляющий вход — с выходом четвертого элемента И, первый вход которого соединен с единичным выходом триггера цикла, единичный вход которого соединен с нулевым входом триггера ф такта, при этом второй вход четвертого элемента И соединен с первым входом третьего элемента И и с единичным выходом старшего разряда второго счетчика, нулевой выход старше- 2 го разряда которого соединен с вторым } входом первого элемента И, выход ко- > м торого соединен со счетным входом CA второго разряда первого счетчика, а р третий вход — с единичным выходом триггера такта и с вторым входом третьего элемента И, выход которого соединен с первым входом элемента ИЛИ, второй вход которого соединен с выходом второго элемента И, а выход— с входом первого разряда первого счетчика,выходы разрядовкоторого соединеныс выходными шинами, причем третий вход тре- 3 тьего элемента И соединен с выходом генератора эталоннойчастоты исо счетным входом второго счетчика, вход сброса которого соединен с входами сброса первого и реверсивного счетчиков, счетный вход последнего соединен с выходом преобразователя напряжения в частотуимпульсов.

1 11507

Изобретение относится к импульс-.. ной технике„ в частности к преобразователям напряжения в цифровой код с промежуточным преобразованием в частоту импульсов.

Известен аналого-цифровой преобразователь (АЦП) с частотным преобразованием, содержащий преобразователь напряжения в частоту (ПНЧ), цифровой частотомер, вход коiо ого соединен с щ выходом НВЧ (1).

Недостатком данного АЦП является зависимость результата преобразования от времени преобразования и от крутизны преобразования ПНЧ.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является аналого-цифровой преобразователь,содержащий аналоговый переключатель, через который клеммы входного и Опор б ного напряжений подключены к входу управляемого генератора (ПНЧ), выход .которого соединен через первую схему И с входом реверсивного счетчика, выходы которого соединены с выходом дешифратора нулевого кода, генератор эталонной частоты выходом через вторую схему И соединенный с входом счетчика формирования временного интервала, одновибратор гашения,з который соединен выходом с входом сброса счетчика формирования временного интервала и с единичными входами триггеров цикла и такта, первый из которых единичным выходом подсоединен к вторым входам схем И, третьи входы которых соединены с выходом одновибратора блокировки со схемой

ИЗБ на входе, нулевым входом - к выходу переполнения реверсивного счетчика, а второй единичным выходом— к первому входу схемы ИЛИ, управляю-. щему входу аналогового переключателя и управляющему входу суммирования реверсивного счетчика, нулевым выходом — к вычитающему входу последнего и к второму входу схемы ИЛИ, а нулевым входом — к выходу переполнения счетчика временного интервала Г23.

Недостатком этого устройства является малое быстродействие преобразования.

Цель изобретения — повышение быстродействия.

Поставленная цель достигается тем, что в аналого-цифровой преобразователь с частотным преобразованием, содержащий аналоговый переключатель,.

69 2 первый информационный вход которого соединен с входной шиной, а выход— с входом преобразователя напряжения в частоту импульсов, выход которого соединен с первым входом первого элемента И, генератор эталонной частоты, выход которого соединен с первым входом второго элемента И, одновибратор гашения, выход которого соединен с входом сброса первого счетчика и с единичным входом триггера такта, единичный выход которого соединен с управляющими входами аналогового переключателя и суммирования реверсивного счетчика, нулевой выход — с управляющим входом вычитания реверсивного счетчика, а нулевой вход — с выходом переполнения первого счетчика, триггер цикла, единичный выход которого соединен с вторым входом второго элемента И, а нулевой вход — с выходом переполнения реверсивного счетчика, элемент ИЛИ, введены аналоговый ключ, второй счет. чик, третий и четвертый элементы И, аналоговый вычитатель, первый вход которого соединен с шиной опорного напряжения, выход — с вторым информационным входом аналогового переключателя, второй вход — с выходом аналогового ключа, информационный вход которого соединен с входной шиной, а управляющий вход — с выходом четвертого элемента И, первый вход которого соединен с единичным выходом триггера цикла, единичный вход которого соединен с нулевым входом триггера такта, при этом второй вход четвертого элемента И соединен с первыя входом третьего элемента И и с единичным выходом старшего разряда второго счетчика, нулевой выход старmего разряда котс ого соединен с вторым входом первого элемента И, выход которого соединен со счетным входом второго разряда первого счетчика, а третий вход — с единичным выходом триггера такта и с вторым входом третьего элемента И, выход которого соединен с первым входом элемента ИЛИ, второй вход которого соединен с выходом второго элемента И, а выход — с входом первого разряда первого счетчика, выходы разрядов которого соединены с выходными шинами, причем третий вход третьего элемента И соединен с выходом генератора эталонной частоты и ro счетным входом второго счетчика, вход

3 1150769 сброса которого соединен с входами сброса первого и реверсивного счетчиков, счетный вход последнего соединен с выходом преобразователя напряжения в частоту импульсов. 5

На фиг.1 изображена блок-схема

АЦП; на фиг.2 — временная диаграмма работы АЦП.

Аналого-цифровой преобразователь содержит шину 1 запуска, одновибратор 1п

2 гашения, первый счетчик 3, триггер

4 цикла, триггер 5 такта, реверсивный счетчик 6, объединенный с дешифратором нулевого кода, аналоговый переключатель 7, преобразователь 8 напря- 15 женин в частоту импульсов, входную шину 9, генератор 10 эталонной частоты, элемент ИЛИ 11 элементы И 12-15, аналоговый ключ 16 и вычитатель 17 шину 18 опорного напряжения, второй 2б счетчик 19, выходные шины 20 кода результата преобразования.

На временной диаграмме обозначены: сигнал 21 запуска АЦП в работу, выходные "1" сигналы 22 и 23 триггеров цикла 4 и такта 5, выходной "0" сигнал 24 старшего разряда счетчика 19, сигналы 25 и 26 включенного состояния элемента И 12 и 14, импульс 27 переполнения счетчика 3, сигнал 28 вклю- Зо ченного состояния ключа 16, сигнал 29 подключения к ПНЧ 8 опорного напряжения, импульс 30 переполнения счетчика

6 и окончания преобразования.

Б аналого-цифровом преобразовате- д5 ле (фиг.1) входная шина 9 соединена с первым входом аналогового переключателя 7, выход которого соединен с входом преобразователя 8 напряжения в частоту импульсов, выход которого со-4п единен с входом реверсивного счетчика

6 и к первому входу первого элемента И 12 входные шины 18 опорного напряжения соединены с суммирующим входом аналогового вычитателя 17, имею- 45 щего ключ 16 на вычитающем входе, и выходом подключенного к второму входу аналогового переключателя 7, вход ключа 16 подключен к входной шине 9, генератор 10 эталонной частоты, выход 50 которого соединен с входом второго счетчика 19 и е первым и третьим входами второго и третьего элементов И 13 и 14 соответственно, одновибратор 2 гашения, вход которого 55 соединен с шиной t запуска, а выход.с входами сброда счетчиков 3, 6 и 19 и с единичным входом триггера 5 такта, единичный выход которого соединен с третьим и вторьм входами первого и третьего элементов И 12 и 14 соответственно, с управляющим входом аналогового переключателя 7 и управляющим входом суммирования реверсивного счетчика 6, нулевой выход — с управлякщим входом вычитания последнего, а нулевым входом — с выходом переполнения первого счетчика 3 и с единичным входом триггера 4 цикла, единичный выход которого соединен с вторым входом второго элемента И 13 и с первым входом четвертого элемента И 15, а нулевой вход — с выходом переполнения реверсивного счетчика

6, выходные шины 20 соединены с вы-. ходами первого счетчика 3, счетный вход второго разряда которого соединен с выходом первого элемента И 12, а счетный вход его младшего разряда — с выходом элемента ИЛИ 11, второй вход которой соединен с выходом второго элемента И 13, а первый вход — с выходом третьего элемента И 14, первым входом подсоединенной к второму входу четвертого элемента И 15 и к единичному выходу старшего разряда счетчика 19, а нулевой выход последнего соединен с вторым входом первого элемента И 12 °

АЦП работает следующим образом.

По сигналу 21 запуска одновибратор 2 устанавливает в исходное состояние все счетчики 3, 6 и 19 и в "1" состояние триггер 5 такта. Начинается первый такт измерения входного сигнала, который по входной шине 9 с помощью переключателя 7 подается на вход ПНЧ. Выходные импульсы ПНЧ 8 поступают на вход младшего разряда реверсивного счетчика 6 и через элемент И 12 — на вход второго младшего разряда счетчика 3. Одновременно импульсы эталонной частоты от генератора 10 подсчитываются счетчиком

19. Старший разряд этого счетчика с помощью сигналов с его "0" и "1" выходов управляет элементами И 12, 14 и 15.

В АЦП частота f> генератора 10 выбрана такой, что за время, равное половине времени измерения (> Т )

1 в счетчик 19 поступает число импульсов Нь, равное его половинной емкости Иь, т.е, Иь=у И =-- Т Е,, (1)

2 где No — емкость счетчиков 3 и 6, 115076 как и в прототипе, а частота генератора 10 увеличена вдвое, За это время (сигнал 25 длительностью — Т ) в счетчике 3 накопляет1

2 0 ся число импульсов Мц, поступающих 5 от ПНЧ 8 и удваиваемых, благодаря их подаче на вход второго младшего разряда;

N 2Ц, — ТОЯ=УхТ-0S °

1 (2) 1О

Это число представляет собой промежуточный результат преобразования.

По истечении времени — Т стар1

2. 0 ший разряд счетчика 19 переходит иэ

"0" состояния (сигнал 24) в "1" и включает элемент И 14 (сигнал 26).

От генератора 10 импульсы поступают на вход младшего разряда счетчика 3 через элемент И 14 и элемент ИЛИ 11. ?О

Накопленное в нем число М„„увеличивается и через время Т„, равное

Т=-Т-М

1 .1

1 2 0 х12 (3}

0 25 наступает переполнение счетчика 3 (сигнал 27) и во всех его разрядах устанавливается нулевой код.

Сигнал 27 устанавливает в "0" состояние триггер 5 такта и в "1" сос- 30 таяние триггер 4 цикла.

Триггер 4 цикла сигналом 23 с выхода открывает элементы И 13 и 15.

Через первый иэ них импульсы от генератора 10 поступают на вход счетчика З

3 через элемент ИЛИ 11, а второйвключает ключ 16, который подключает

U ê вычитающему входу вычитателя 17, и на его выходе 4ормируется сигнал

=U U)(х Tcoc KctK K суммиРУшщему 40 входу вычитателя с шины 18 подано напряжение U> .

Триггер.5 такта выходными сигнала- ми с помощью переключателя 7 отключает от ПНЧ 8 0„ и подключает к нему 4

ЬП, выключает элементы И 12 и 14, переключает реверсивный счетчик 6 на режим вычитания.

С этого момента начинается такт компенсации (сигнал 28) накопленного у числа М, в счетчике 6

М1="х(Ть Т„ )S=U„(T0 Мх у )S (4) ь импульсами от ПНЧ 8. на входе которого действует напряжение WJ.

Второй такт заканчивается при пе55 реполнении счетчика 19, т.е. через .время То, когда заканчивается изме- . рение входного сигнала

Т,=Т -(1 т +т )=М

0 2 0 1 х1 х

0 (5) В течение Т2 второго такта в счетчик 3, который перед его началом имеет во всех разрядам нулевой код, поступает М„„импульсов от генератора 10, и таким образом в нем автоматически восстанавливается код промежуточного результата преобразования

М„„, полученный ранее вначале первого такта преобразования.

За это же время Т2 в счетчике 6 выполняется вычитание числа импульсов N2!

Мг ьаТ2S (U Пх} "х

Для обеспечения полной компенсации числа М„ числом М (М„=М ) необходимо, чтобы соотношения между параметрами имели следующий вид:

U (Т -N --) (U -U )N

1 1

Х 0 Х1 х о 0 хТ0 Нр Мх1

0 (7) 2М0 х хе х 0= Т 1 о 0 2 х ъ. (8}

Из-за разброса и нестабильности параметров ПНЧ 8 и в основном из-за влияния параметра S на получение промежуточного результата преобразования N в счетчике 6 может остаться число ЬБ=М„-N2, которое с учетом (4) и (6) равно х Ть Ну Мхх

0 (9) В третьем такте это числа компенсируется импульсами от ПНЧ до нуля.

Время этой компенсации определяет длительность Тх третьего такта коррекции промежуточного результата преобразования N„„.

По окончании второго такта переключается старший разряд счетчика

19 в "0" состояние и ега выходные сигналы 24 выключают элемент И 15 и ключ 16. Поэтому на вход ПНЧ 8 поступает от вычитателя 17 напряжение

U (сигнал 29). Начинается третий такт коррекции нромежутачнаеа результата Мх„ имнуль амн «т ген<-ра—

9 6 (Длительность второго такта с учетом выражения (3) равна (10) э — UU3 779 э (18) S=So дя.

"XX T9 o °

0«в То и5 о ()9) 20 или

=U N кх

U«Т БЭN у о

U = — — (N +N ) оэ х Т у «1 х2 о о (13) (15) 35 (22) 2 Ld"

К= — =2(1+ г) (1+ ") (16) 7, . 1150 тора 10, который проходит через элемент И 13 и ИЛИ 11 на счетчик 3.

3а время Тэ на вход счетчика 6 поступает N импульсов: а на вход счетчика 3 М« импульсов:

В момент компенсации числа д И импульсами N9 когда выполняется равенство ай=И„(12), на выходе счетчика

6 появляется сигнал 30 его переполнения, по которому триггер 4 цикла устанавливается в "0" состояние, и на этом преобразование заканчивается.

Подставив в выражение (12) значения hN,N (9) и (10) и используя (11) получаем

Таким образом, по окончании тре- 25 тьего такта получается числовой эквивалент Й„входного напряжения U

1 к +) ) хй (14) код которого устанавливается на вы- gp ходных шинах 20.

При этом на получение N„ çàòðà÷åно время

Тtt =To+T9 (2Мо+Бк ) э

1 о «1 ч го и является положительным эффектом изобретения.

Эффективность изобретения по увеличению быстродействия зависит от ве-4О личины Nx или затрат времени на третий такт коррекции, длительность которого увеличивается Т„ по сравнению с временем измерения То .

При наличии полной компенсации во 49 втором такте Nx> =0 и То То .

При недокомпенсации время Т® определяется из выражения (10), используя (12) и (9):

ы и 1

Т = — — = -- Т -U Т S

П S U " й

Э Э о

Если в АЦП путем подстройки крутизны ПНЧ обеспечить соотношение па1 раметров J оо < = 1 (17), то Т> рав769 8 но нулю, и время преобразования равно времени измерения Т или Т =Т..

C "Р о

Но разброс и нестабильность во времени параметров АЦП приводит к уменьшению крутизны ПНЧ, т.е.

Это приводит к необходимости выполнения третьего такта, максимальная длительность Т которого при

U„=U„m c учетом выражений (17) и (18) ранна

1 = Т-0 Т5 — +U 1 b5 — = )хв

1 1

Ц о xmî af xm o э о о

T =М вЂ” — =й — — = — т . (2о) D5 1 45

ЗВ xm 5 g o 5 f g o

Из этого выражения видно, что дополнительные затраты времени Т на получение N по сравнению с време«t нем измерения То незначительны и зависят от разброса и нестабильности крутизны ПНЧ, т. е. от

Ь5

Относительная величийа затрат времени Тэ в сравнении с временем измерения Т входного сигнала равна

Т 1 S

Я = — — = — — или Т = Т .(21)

Т 2 S

Максимальное время преобразования при П„=U „ в АЦП равно

Тир т То Тэ о(1

Таким образом, сравнивая это время с временем преобразования прототипа T =2Tо, видно, что оно уменьшилось в К раз и равно

Таким образом, в предлагаемом

АЦП достигнуто повышение быстродействия по сравнению с прототипом.

Преобразование в АЦП выполняется в течение времени измерения, обеспечивая существенное сокращение или даже полное устранение затрат времени на третий такт коррекции промежуточного результата преобразования, получаемого в первом такте измерения.

1150769

1150769. Л

28

34

Л

М

g7

М

Я

t

Е

Составитель А.Кузнецов

Редактор Е.Конча Техред Т.Дубинчак Корректор А.Тяско

Заказ 2175/45 Тирж 872 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР . по делам изобретений и открытий .

113035, Иосква, Ж-35, Раувская наб., д.4/5 илнал ППП "Патент", r.Óêroðoä, ул.Проектная, 4