Аналого-цифровой преобразователь с частотным преобразованием

 

Изобретение относится к импульсной технике,в частности к преобразователям напряжения в цифровой код с промежуточным преобразованием напряжения в частоту }1мпульсов, и может быть использовано в прецизионных устройствах сбора аналоговой информации систем контроля и управления технологическими процессами. В устройство , содержащее преобразователь 8 напряжения в частоту импульсов с входным переключателем 7, вычитатель 17 с входным аналоговым ключом 16, три счетчика 3, 19, 6, два триггера 4, 5, элементы 12-15 И и ИЛИ 11, одновибратор 2 и генератор 10 эталонной частоты, с целью повьшения точности преобразователя за счет уменьшения влияния на результат преобразования помех от промышленной сети при изменении ее частоты, введены блоки 23, 24 синхронизации и коррекции , нуль-орган 22, формирователь 25 импульсов и элемент 26 ИЛИ. 2 з.п. ф-лы, 4 ил. (Л

СОЮЗ СОВЕТСНИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИН (51) 4 Н 03 М 1/60

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

И АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ (61) 1150769 (21) 3933503/24-24 (22) 26.07.85 (46) 23.01.87. Бюл. У 3 (7) ) Всесоюзный научно-исследовательский институт электромеханики (72) П. М. Аникии и Л. М. Лукьянов (53) 681.325(088.8) (56) Прянишников В. А. Интегрирующие . цифровые вольтметры постоянного тока. — Л.: Энергия, 1976, с. 169.

Авторское свидетельство СССР

У 1150769, кл. Н 03 М 1/60. (54) АНАЛОГО-ЦИФРОВОЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ С ЧАСТОТНЫМ ПРЕОБРАЗОВАНИЕМ (57) Изобретение относится к импуль 1 сной технике,в частности к преобразователям напряжения в цифровой код с промежуточным преобразованием напряжения в частоту импульсов, и может быть использовано в прецизионных устройствах сбора аналоговой информации систем контроля и управления технологическими процессами. В устройство, содержащее преобразователь 8 напряжения в частоту импульсов с входным переключателем 7, вычитатель

17 с входным аналоговым ключом 16, три счетчика 3, 19, 6, два триггера

4, 5, элементы 12-15 И и ИЛИ 11 одновибратор 2 и генератор 10 эталонной частоты, с целью повышения точности преобразователя за счет уменьшения влияния на результат преобразования помех от промьппленной сети

О при изменении ее частоты, введены Е блоки 23, 24 синхронизации и коррекции, нуль-орган 22, формирователь

25 импульсов и элемент 26 ИЛИ.

2 з,п. ф-лы, 4 ил.

f0

f5

l0

f5

1 !28

Изобретение относится .к импульсной технике, в частности к преобразователям напряжения в цифровой код с промежуточным преобразованием в частоту импульсов, и является усовершенствованием устройства по авт. св, Ф 1150769.

Цель изобретения — повьппение точности.

На Фиг. 1 изображена блок-схема устройства; на фиг. 2 — блок-схема блока синхронизации; на фиг. 3 блок-схема блока коррекции; на фиг. 4 — временная диаграмма работы устройства.

АЦП содержит шину 1 запуска его в работу, одновибратор 2 гашения, первый счетчик 3, триггер 4 цикла, триггер 5 такта, реверсивный счетчик 6, аналоговый переключатель 7, преобразователь 8 напряжения в частоту импульсов (ПНЧ), входную шину

9 преобразуемого сигнала, генератор

10 эталонной частоты, .первый элемент

ИЛИ 11, элементы И 12-15, аналоговый ключ 16, вычитатель 1?, шину 18 опорного напряжения, второй счетчик !9, выходные шины 20 кода результата преобразования, входную шину 21 напряжения сети питания, нуль-орган 22, блок

23 синхронизации, блок 24 коррекции, формирователь 25 импульсов, второй элемент ИЛИ 26, Блок 23 синхронизации содержит вычитающий счетчик 27, выходной регистр

28, одновибратор 29, элемент И 30, элемент ИЛИ 31, формирователь 32 импульсов, Блок 24.коррекции содержит первый счетчик 33, дешифратор 34, второй счетчик 35, триггер 36, формирователь

37 импульсов, одновибратор 38, первый

39 и второй 40 элементы И, элементы

41, 42...43 группы, первый 44 и второй 45 элементы ИЛИ.

На временной диаграмме (Фиг. 4) обозначены: импульс 46 запуска устройства в работу, выходные импульсы

47 нуль-органа 22, 48 — время работы счетчика 27 для определения и, импульсы 49 записи п в счетчик 19, сигналы 50, 51, 52 соответственно на выходе "! триггера такта, на выходе

"1" триггера цикла и на выходе "0" старшего разряда счетчика 19, сигналы 53 и 54 включенного состояния элементов И 12 и 14, импульс 55 переполнения счетчика 3, сигнал 56 включен5600 2 ного состояния. ключа 16, время 57 подключения к ПНЧ 8 опорного напряжения, сигнал 58 кода "0" в счетчике

6, сигналы 59 работы счетчика 35 при суммировании п импульсы 60 коррекции результата преобразования, сигнал 61 на выходе "1" триггера 36.

Устройство работает следующим образом.

С помощью нуль-органа 22 иэ напряжения сети питания, снимаемого с шины

21, в момент прохождения его через нуль формируются импульсы 47, по которым в блоке 23 получают число п.

Это осуществляется счетчиком 27, в котором вычитаются импульсы от генератора 10 после сброса его в "0" импульсами 47. Поэтому к появлению очередного импульса 47 в счетчике 27

1 образуется число n = И. — — Тяго, которое этим импульсом записывается в регистр 28, затем сигнал с выхода формирователя 32 устанавливает в счетчике 27 код "0" и вычитание жпульсов от генератора 10 продолжается в течение времени 48 очередного цикла для получения нового значения и, Емкость счетчика 27 существенно уменьшена по сравнению с 11,э, так как к концу каждого цикла в нем остается код и и гребуется P разрядов, число которых соответствует максимальному sначению и, составляющему несколько единиц процента от г! для рассматриваемого случая изменения Тп.

В блок 23 введена цепь из последовательно соединенных элементов

И 30, одновибратора 29 и элемента

ИЛИ 31, обеспечивающая исключение записи в регистр 28 недостоверного кода, когда имеет место вычитание и переходные процессы в счетчике 27 в моменты совпадения импульсов 47 и генератора 10. 8 этом случае момент записи кода с помощью одновибратора 29 сдвигается на время окончания этого переходного процесса.

Полученный код п используется для уменьшения Т„, которое вьпюлняпр ется дважды (импульсы 47) по импульсу 46 пуска и после окончания первой половины Т„„ по отрицательному перепаду сигнала 52 с помощью формирователя 25, Отрицательные перепады этих импульсов осуществляют запись кода и в счетчик 19, в котором установлен

1285600 код "O", Поэтому переключения старшего разряда этого счетчика (сигнал 52)„

1 определяющие время — T„, происходит

1 дважды через время (N,-n) —, и вре- 5 мя преобразования U> равно Т„

= 2(N -n) о

С приходом импульса 46 одновибратор 2 сбрасывает в "0" счетчики 3, 6, 19 и 35, затем устанавливает в

"1" триггер 5 и записывает код и в счетчики 3 и 19, Начинается первая половина Т„„, в течение которой сигнал 50 с выхода "1" триггера 5 подключает через переключатель 7 U к входу ПНЧ 8. Его выходные импульсы подсчитываются счетчиками 6 и 3, в последнем из которых они удваиваются, так как поступают через элемент

И 12 (сигнал 53) на вход второго

2 младшего разряда. За время — Тп счетчики 6 и 3 поступает число им1 пульсов N« = U>S(Nо-и) —, В счето чике 6 записывается код N«а в счетчике 3 получается код Хп — (2N« +n) = Х, + n. Последний из них используется для определения времени окончания первого такта Т, (! для чего со второй половины Т „о в счетчик 3 через элемент И 14 (сигнал 54) и элемент ИЛИ ll поступают .импульсы от генератора 10 которые

35 увеличивают код Х«, и в момент переполнения счетчика 3 Т< заканчивается. За это время от ПНЧ 8 в счетчик (6 поступает число импульсов N«

= U„S (N — (Х, +и)) —, которое сум а мируется с 1()ц и формирует код Я<

= N, + N(. Импульс 55 переполнения счетчика 3 устанавливает в "0" триггер 5 и в "1" триггер 4, С этого момента начинается второй такт преобразования. Длительность его равна:

2, = т., — т, = г(и.-n) —, — IN,—

-(X,+n)l — — (N.-и) — = Х, — .

В течение этого времени сигнал 51 с выхода "1" триггера 4 разрешает работу элементов И 15, 13 и блока

24. Выходной, сигнал 56 элемента И 15, 55 поступая на управляющий вход ключа

16, подключает U)t к вычитателю 17, на выходе которого образуется напряжение 2U -U, подключаемое к входу

ПНЧ 8 переключателем 7, так как сигнал 50 имеет нулевой уровень. При этом сигнал с выхода "0" триггера 5 включает режим вычитания в счетчике ,6 и импульсы от ПНЧ 8 в нем уменьшают N(.

За время Т в счетчик 6 поступает 1 число импульсов N = (2U -U ) ° SX<

2 Ь Х f о и в нем остается разность: hN = N—

-И,= tt„(U,-n) 2 — + U„IN,-(Х, 1 о 1

+n)) 2 — — (2U.-U„)2Õ, — = 2(U,(N-n) — U.Х,) S —. о

За это же время в счетчик 3 через элементы И 13 и HJIH 11 от генератора

10 поступает число импульсов Х,, столько же их поступает и в блок 24.

Если к окончанию Т и N 4 О, то выполняется третий такт Т преобразования, в котором снятие сигнала с выхода "1" старшего разряда счетчика 19 запрещает работу элемента И 15, вы- . ключающего ключ 16. На выходе вычитателя устанавливается напряжение 2 U (сигнал 57), которое преобразуется

ПНЧ 8 в импульсы, компенсирующие о1)1 до нуля. При лИ = 0 дешифратор кода

"0" счетчика 6 вырабатывает сигнал

58 окончания Т> и преобразования, устанавливающий в "0" триггер 4. За время Т в счетчик 6 от ПНЧ 8 поступает число импульсов N> = 2 U . Б х

1 х Х - —, в счетчик 3 от генератора

1 о

10 через элементы И 13 и ИПИ ll поступает Х импульсов, которые образуют там код Х = Х 1 + Х, в блок 24 поступает тоже Х импульсов.

Из уравнения e N = N, — N = N можно определить ксд в счетчике 3

Х : 2 (U„(N и)-\3о Х 1 Я—

2 11ЬЯХ или U„(N и) U (X, + о

+ Х ) = U ° Х „откуда Х = - - (Nи о

-и) =Х(1 — †). ,БЬ

Число импульсов Х поступает в блок 24, где формируется N импульсов, передаваемых через элемент ИЛИ

ll на вход счетчика 3, корректируя его код: Х„= Х + ) „.

Разрешая работу блока 24 сигнал

51, открывающий элемент H 40 для прохождения импульсов Хо с выхода

1285600

20 ш 2

+ о Ио о о о о

m, n

5 элемента И 13. С приходом каждого из этих импульсов код счетчика 33 увеличивается на единицу и запуска,ется формирователь 37, выходной импульс-которого проходит через элемент И 39, открытый сигналом от элемента ИЛИ 45 при наличии кода, отличного от "0" в счетчике 33, и запускает одновибратор 38. его выходной сигнал аналогично входному сигналу повторяет такт работы формирователя 37 и одновибратора 38, Количество этих тактов определяется емкостью счетчика 33, которая должна быть не менее (Р+1), и при коде "0" работа этих узлов прекращается до появления нового импульса Хо.

На выходе дешифратора 34 сформирована последовательность импульсов, поступающих на элементы И 41, 42... ! ...43, подсоединенные к счетным входам

Р младших разрядов счетчика 35, В

11 It зависимости от наличия сигналов 1 в разрядах входного кода с величиной и в счетчике 35 выполняется поразрядное суммирование (сигнал 59),, и его код будет увеличен на,п. После прихода всех импульсов Х в счетГ чике 35 должна быть получена величина Хг - n. Так как емкость счетчика

35 равна И, то в результате возникает N« HMn ooe его переполнения и в его разрядах может остаться код ш<, т.е. Х n = N N«+ m,.

При возйикновейии каждого импульса 60 переполнения он запоминаешься триггером 36, выходной сигнал 61 которого, проходя через элемент ИЛИ 45, разрешает запуск в работу одновибратора 38 при коде "О" в счетчике 33.

Благодаря этому код счетчика 35 уве- . личивается íà и И к<.

Максимальная величина N, соответствующая Х p = И, равна п, поэтому максимальное увеличение кода равно и и от него может возникнуть

ИК2 импульсов переполнения счетчика

35 только в случае, если п т И . В рассматриваемом устройстве, как показано

I выше, изменение составляет 4Я и и

1 ++4> И„, поэтому И > 2 = 2,5 х о э х 10, и только при И, 2500 может возникать переполнение И„ . Учитывая, что в счетчике 35 остается код m, при суммировании с ним п,N„, может быть получена величина m + nM„

Ио ИК2 + m2 °

В этом случае будет выполнено дополнительное суммирование с. получением величины:n ° И„+ ш = И ИК + т

Для условия Хр = N, т.е. даже при максимальном значении результата пре= образования величина (и N + m ), которая остается в счетчике 35, не превышает И и дальнейшее математическое описание работы этого счетчика

10 не требуется.

Число выходных импульсов 60 блока

24 N„ равно: к к К2 кэ

Из приведенных выражений можно представить: и m1

И =X — — —, И =И

kI Р И И к2 к

0 I>

n m, m>

И =Ȅ— + — — —Ио Ио о

Подставляя эти величины в И „, получим:

Импульсы И„поступают в счетчик 3, где суммируются с накопленным там кодом Х> и получается окончательный результат преобразования: Хк = Xp +

+ Х Икп- N,.„= Х (1 — )(1+

+ И ) — И = Х - Х вЂ” - N.

К 2 N t n о

В этом выражении, для рассматриваемого случая соотношения и .и И, вто40 рой член пренебрежимо мал, a N к,, представляет собой дробную часть, которая осталась в счетчике 35 и представляет собой величину, меньшую единицы, т.е, Х„= Х + Х, где Х <1, Результат Х ;получается в процессе выполнения второго T и, если это необходимо при И ф О, третьего Тэ тактов работы устройства. Никаких дополнительных затрат времени на вы50 полнение коррекции Хо не требуется.

Предлагаемое устройство позволяет повысить точность за счег уменьшения погрешности, возникающей при изменении частоты помехи, 55

Формула из обретения

1..Аналого-цифровой преобразователь с частотным преобразованием по

1285600 авт. св. N - 1150769 о т л и ч а— ю шийся тем, что, с целью повышения точности, в него дополнительно введены нуль-орган, вход которого соединен с шиной напряжения питания, блоки синхронизации и коррекции, формирователь импульсов, второй элемент

ИЛИ, выход которого соединен с входом записи второго счетчика,. первый вход соединен с выходом формирователя импульсов, вход которого соединен с нулевым выходом старшего разряда второго счетчика, входы младших разрядов которого объединены с одноименными входами первого счетчика и информационными входами блока коррекции и соединены с соответствующими выходами блока синхронизации, вход сброса блока коррекции объединен с входом записи первого счетчика и вторым входом второго элемента

ИЛИ и подключен к выходу одновибратора гашения, вход разрешения работы блока коррекции соединен с выходом триггера цикла, счетный вход— соединен с выходом второго элемента

И, а выход подключен к третьему входу первого элемента ИЛИ, счетный вход блока синхронизации соединен с выходом генератора эталонной частоты, а тактовый вход соединен с выходом нуль-органа.

2. Преобразователь по и. 1, о тл и ч а ю шийся тем, что блок синхронизации выполнен на вычитающем 35 счетчике, выходы которого подключены к соответствующим информационным входам регистра, выходы которого являются выходами блока синхронизации, а вход записи объединен с входом формирователя импульсов и соединен с выходом элемента ИЛИ, первый вход которого соединен с выходом одновибратора, второй. вход объединен с первым вхо, дом элемента И и является тактовым 4> входом блока синхронизации, счетным входом которого является второй вход элемента И, объединенный с счетным входом вычитающего счетчика, вход сброса которого соединен с выходом формирователя импульсов, выход элемента И соединен с входом одновибратора.

3. Преобразователь по п. 1, о тл и ч а ю шийся тем, что блок коррекции содержит первый счетчик, счетный вход которого объединен с входом формирователя импульсов и соединен с выходом первого элемента

ИЛИ, первый вход которого соединен с выходом одновибратора, вход которого соединен с выходом первого элемента И, первый вход которого соединен с выходом формирователя импульсов, а второй вход соединен с выходом второго элемента ИЛИ, первый вход которого соединен с единичным выходом триггера, а остальные входы объединены с входами дешифратора и соединены соответственно с единичными выходами разрядов первого счетчика, второй .вход первого элемента ИЛИ соединен с выходом второго элемента И, первый и второй входы которого являются соответственно счетным входом и входом .разрешения-работы блока коррекции, выходы дешифратора с первого по P-й, где P — число информационных входов блока коррекции, подключенных.к первым входам элементов И группы, подключены соответственно к вторым входам элементов И группы, выходы которых подключены к входам соответствующих разрядов второго счетчика, вход сброса которого является одноименйым входом блока коррекции, Р+1)-й выход дешифратора подключен к нулевому входу триггера, единичный вход которого подключен к выходу переполнения второго счетчика и является выходом блока коррекции.

Фиг.2

ФмгЗ! 285600

51

Фиг.0

Составитель 10. Спиридонов

Редактор Н. Тупица Техред Л.Олейник Корректор А. Обручар

Заказ 7535/57

Производственно-полиграфическое предприятие, г. Ужгород, ул. Проектная, 4

46.

Ф7.

Фд

49

57

5S

59

Ю б1

Тираж 899 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

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

t