Аналого-цифровой преобразователь

 

Изобретение относится к автоматике , вычислительной и измерительной технике и может быть использовано для построения аналого-цифрового преобразователя (АЦП)f для которого источником аналогового напряжения служит набор датчиков, гальванически изолированных друг от друга и от АЦП или находяпщхся под высоким или переменным потенциалом относительно друг друга и АЦП, или не допускающих питания постоянным напряжением. Изобретение позволяет расширить область использования и повысить точность. Это достигается тем, что в устройство , содержащее интегратор 1, компаратор 2, преобразователь 3 временного интервала в код, блок 5 управления , датчик 7 напряжения, введены регистр 4 и фильтр 6. 5 з.п., 14 ил. с Эг - фиг .1

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК

„, 80„„1295519 А 1 (51) 4 Н 03 М 1/56

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Н ASTOPCHOlVIV СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ (21) 3703714/24-24 (22) 23.02.84 (46) 07.03.87. Бюл. Н 9 (72) Б.М.Юрчиков (53) 681.325 (088.8)

° (56) Гитис Э.И. Аналого-цифровые преобразователи. — М.:,Энергоиздат, 1981, с.225, рис.6-5.

Быхтияров Г.Д. Аналого-цифровые преобразователи. — N.: Советское радио, !980, с.163, рис.7.4. (54) AHAJIOI 0-ЦИФРОВОЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ (57) Изобретение относится к автоматике, вычислительной и измерительной технике и может быть использовано для построения аналого-цифрового преобразователя (АЦП), для которого источником аналогового напряжения служит набор датчиков, гальванически изолированных друг от друга и от АЦП или находящихся под высоким или переменным потенциалом относительно друг друга и АЦП, или не допускающих питания постоянным напряжением. Изобретение позволяет расширить область использования и повысить точность.

Это достигается тем, что в устройство, содержащее интегратор 1, компаратор 2, преобразователь 3 временного интервала в код, блок 5 управления, датчик 7 напряжения, введены регистр 4 и фильтр 6. 5 s.ï.ô-лы, 14 ил.

На временных диаграммах (фиг.1214) обозначены: 42 — напряжение на четвертом выходе блока 5; 43 — напряжение на выходе интегратора 1, 44 — напряжение на выходе дятчика 7, 45 — напряжение на выходе компаратора, 46 — напряжение на выходе элемента И 13, 47 и 48 — импульсы на выходе элемента ИЛИ 17; 49 и 50 — импульсы на третьем и втором выходах блока 5, 51 и 52 — напряжения на выходе интегратора 1 и датчика 7; 53 — напряжение на выходе компаратора 2.

АЦП работает следующим образом, Генератор 8 непрерывно вырабатывает тактовые импульсы, частота которых f делится счетчиком 9 в 2 раз.

Прямоугольные колебания напряжения

42 (фиг.12) с частотой f/2 с выхода старшего разряда счетчика 9 поступают через фильтр 6 на датчик 7 и одновременно на вход интегратора 1.

Если в качестве фильтра 6 использован конденсатор достаточно большой емкости, эти колебания передаются на датчик 7 и интегратор 1 без искажений их формы. Из них лишь исключается постоянная составляющая напряжения. Напряжение 43 на выходе интегратора 1 имеет форму треугольных колебаний. Если в качестве датчика 7 используется потенциометр 28 и он (фиг.8) подключен к парафазной вторичной обмотке трансформатора 29, выходное напряжение датчика 7 представляет собой прямоугольные колебания 44 (фиг.12), фаза которых совпадает с фазой колебаний напряжения

42 или противоположна последней в зависимости от направления смещения движка потенциометра 28 датчика 7 от среднего положения. Амплитуда колебаний 44 на выходе датчика 7 пропорциональна степени смещения движка оФ

его среднего положения. Поэтому на выходе комапаратора 2 напряжение имеет форму прямоугольных колебаний

45, имеющих сдвиг во времени относительно колебаний 42, линейно зависящий от смещения движка потенциометра 28 датчика 7, Т U T.

= — (1- ) =- (1-КХ)

4 U 4

Э период колебаний 42; выходное напряжение датчика 7; амплитуда напряжения на выходе интегратора 1;

1 1295519 2

Изобретение относится к автоматике, вычислительной и измерительной технике и может быть использоаано для построения аналого-цифрового преобразователя (АЦП), для которого источником аналогового напряжения служит набор датчиков, гальванически изолированных друг от друга и от АЦП или находящихся под высоким или переменным потенциалом относительно друг 10 друга и АЦП, или не допускающих питания постоянным напряжением.

Целью изобретения является расширение области использования и повышение точности. 15

На фиг.1 приведена функциональная схема преобразователя; на фиг.2функциональная схема блока управления; на фиг.3-6 — различные варианты построения преобразователя временно- 20 го интервала в код, на фиг.7 — схема стробируемого компаратора; на фиг.811 — варианты выполнения датчиков напряжения; на фиг.12-14 — временные диаграммы работы АЦП при выполнении преобразователей временного интервала в код и датчиков напряжений соответственно но фиг. 3 и 8; 4 и 9; 5и 9.

Устройство (фиг.1) содержит интегратор 1, комапаратор 2, преобра- 30 зователь 3 временного интервала в код, регистр 4, блок 5 управления, фильтр 6 и датчик 7 напряжения.

Блок 5 (фиг.2) содержит генератор

8 тактовых импульсов, счетчик 9 им. пульсов, элемент ИЛИ-НЕ 10 и элементы И 11 и f2.

Преобразователь 3 может содержать элемент И 13 и реверсивный счетчик

14 импульсов (фиг.3), элементы И 15 40 и 16, элемент ИЛИ 17 и счетчик 18 импульсов (фиг.4), элементы И 19 и

20, элемент ИЛИ 21 и реверсивный счетчик 22 импульсов (фиг.5), элементы И 23 и 24 и реверсивный счетчик 45

25 импульсов (фиг.6).

Стробируемый компаратор (фиг.7) содержит компаратор 26,двухступенчатый 9-триггер 27, С-вход которого соединяется с первым выходом блока 5. 50

Датчик 7 может содержать потенциометр 28 и трансформатор 29 (фиг.8)., мостовой резистивный элемент 30 и предусилитель 31 (фиг.9), коммутатор

32, трансформатор 33, потенциометры

34 и трасформатор 35 (фиг.10), уси- где Т литель 36 мощности, трансформатор 37, "ч электроды 38, предусилители 39 и 40 U„ и коммутатор 41 (фиг.11).

1295519 4

Поэтому между разрядностями счетчит- ков 9 и 14 должно выполняться соото ношение

Х вЂ” алгебраическая величина смещения движка потенциоме ра 28 датчика 7 от среднег положения;

K — коэффициент пропорциональности, Если трансформатор 29 не используется и вход питания датчика 7 подсоединен к фильтру 6 непосредственно, то величина Х может иметь только по- 1Р ложительное значение.

В преобразователе 3 величина преобразуется в цифровой .код путем подсчета счетчиком 14 импульсов 46, поступающих с выхода элемента И 13 15 (фиг.3), импульсов 47 или 48 (фиг.13), поступающих с выхода элемента ИЛИ 17 (фиг.4), или импульсов, поступающих с второго входа преобразователя 3 (фиг. 5) . В преобразователе 3 (фиг. 3) 20 импульсы 46 проходят на счетный вход реверсивного счетчика 14, когда напряжение 44 датчика 7 превосходит напряжение 43 интегратора 1, причем при единичном логическом уровне на- 25 пряжения 42 импульсы 46 прибавляются к содержимому реверсивного счетчика

14, а при нулевом уровне напряжения

42 они вычитаются из содержимого реверсивного счетчика 14. Код с послед-Зр него передается на регистр 4 по импульсам 49, поступающим с третьего выхода блока 5, в начале каждого очередного периода колебаний 42.

Вслед за этим импульсами 50,поступаю-э5 щими с второго выхода блока 5, счетчик 14 обнуляется Таким образом, в регистре 4 хранится результат подсчета импульсов 46 за предыдущий период колебаний 42. Счет в прямом 4р направлении происходит в течение времени Т/4+(Т/4-Т), а счет в обратном направлении — в течение времени

Общий результат, накопленный в счетчике 14 за период Т, пропорцио- 45 нален времени Т/4+(Т/4-i)-< =T/2-2, т.е. с учетом выражения (1) — величине Х. Таким образом, код на выходе регистра 4 отражает величину аналогового напряжения на входе АЦП. Раз- 50 ряды с первого по (и-1)-й реверсивного счетчика 14 отображает величину Х, а и-й разряд — знак этой величины. Максимальное время счета импульсов 46 равно полупериоду колеба- SS ний, а частота импульсов 42 в четыре раза ниже частоты тактовых импульсов на счетном входе счетчика 9 (фиг.2).

tll=ll+2 .

В преобразователе 3 (фиг.4) счетчик 18 не реверсивный, т.е. код в нем во время счета только возрастает.

Счет происходит при одинаковых логических уровнях сигналов на первом и четвертом входах преобразователя 3 (сигналы 42 и 45, фиг.13). Когда сигнал 44 (фиг.12) на прямом входе компаратора 2 совпадает по фазе с колебаниями 42, на счетный вход счетчика 18 поступают импульсы 47 и за полпериода колебаний 42, т.е. за вре-. мя Т/2, счет происходит в течение времени Т/4+(Т/4- )=Т/2-Т. Когда сигнал 44 (фиг. 13) на первом входе компаратора 2 противоположен по фазе колебаниям 42 (фиг.13), то на счетный вход счетчика 18 поступают импульсы 48 и счет происходит в тече- ние времени Т/2-Г. Таким образом, в обоих случаях, с учетом выражения (1), на счетчике 18 образуется код, пропорциональный величине Т/4+КХ, а за весь период Т вЂ” вдвое большей величине Т/2+2КХ. Поскольку величина

Т/2 соответствует половине максимального значения времени счета, соответствующего условию т. =O или у =Б значение старшего, и-го разряда счетчика 18 можно поставить в соответствие величине Т/2. Тогда код, накопленный в счетчике 18, без учета его старшего разряда окажется пропорциональным величине Х. Значение старшего разряда счетчика 18 при этом можно рассматривать как знак величины Х: единичное значение этого разряда указывает на то, что Х> О, а нулевое — на то, что Х (О. Если ! старший разряд счетчика 18 передавать на регистр 4 с инверсией, то обеспечивается обратное обозначение знака числа, совпадающее с общепринятым обозначением чисел в дополнительном или обратном кодах. При этом оба рассмотренных варианта преобразователя 3 по представлению выходного кода АЦП оказываются эквивалент ными. Соотношение между ш и и во втором варианте устройства то же, что и в первом.

В преобразователе 3 (фиг.5) на .реверсивный счетчик 22 счетные импульсы поступают с второго разряда

5 12 счетчика 9 (фиг.2), и реверсивный счетчик 22 считает непрерывно; в прямом направлении, когда сигналы на первом и четвертом входах преобразователя 3 имеют одинаковые логические значения, и в обратном направлении, когда эти сигналы имеют противоположные логические значения.

Таким образом, в этом случае счетчик

22 насчитывает вдвое большую величину, чем в преобразователе 3 по фиг, 3.

Поэтому в этом случае ш=п+1.

Возможно использование АЦП с питанием датчиков напряжением не пря.моугольной формы, а, например, гармоническими колебаниями. Выходные напряжения 51 и 52 (фиг. 13) интегратора 1 и датчика 7 (фиг. 14) в этом случае также имеют форму гармонических колебаний. Сдвиг по фазе между колебаниями 42 и колебаниями 53 (на выходе компаратора 2) в этом случае пропорционален величине

arctg -

Пи

Для использования АЦП в этом режиме достаточно применить узкополосный фильтр 6 с частотой пропускания, равной основной частоте колебаний 42.

Минимальная структура предложенного АЦП содержит блоки 1-7. Датчик

7 может иметь различное выполнение.

Кроме трансформатора 29, в него могут быть введены другие дополнительные бло."и, например, предусилитель

31, необходимый для использования датчиков, выполненных по мостовой схеме (фиг.9), трансформаторы 33 и

35, коммутатор 32 при использовании гальванически изолированных потенци-. ометров 34 (фиг.10). Коммутатор 41 и усилитель 36 мощности используют при подключении нескольких датчиков и при повышенных требованиях к мощности питания датчика. При измерениях электрических полей в электролитах или морской воде роль датчиков выполняет система электродов 38 (фиг. 11) опускаемых в электролит или в воду.

Компаратор 2 может быть выполнен в виде стробируемого комапаратора (фиг.7), а преобразователь 3 — с реверсивным счетчиком, имеющим два счетных входа: С1 для прибавления единицы и С2 для вычитания единицы (фиг.6).

Стробируемый компаратор (фиг.7) состоит из компаратора 26 и двухсту95519 6 пенчатого D-триггера 27, D-вход которого соединен с выходом компаратора 26, С-вход — с первым выходом блока 5, а выход — с первым входом преобразователя 3. Уровень выходного напряжения П-триггера 27 переключается вслед за переключением уровня выходного напряжения компаратора

26, но лишь в моменты спада импульсов на первом выходе блока 5. При этом все время, пока сигнал на первом выходе блока 5 имеет единичный уровень, уровень выходного напряжения стробируемого компаратора 2 не переключается, поэтому импульсы на

С-входе счетчика преобразователя 3 имеют нормированную длительность, равную длительности импульсов на втором входе преобразователя.3. Использование стробируемого компаратора исключает воэможность появления на счетном входе счетчика преобразователя 3 ненормированных по длительности (укороченных) импульсов, которые при наличии в счетчике цепей ускоренного переноса могут вызвать ошибки в счете, превышающие значение младшего разряда счетчика.

Питание датчиков переменным напряжением обусловливает возможность их гальванической развязки и использования АЦП для измерения электричесотношения напряжений (О /U ), пропорциональных напряжению питания датчика, обусловливает нечувствительность АЦП к нестабильности этого напряжения, а принцип работы преобразователя 3 — нечувствительность АЦП

40 к дрейфу нуля усилителей (интегратора 1, компаратора 2, предусилителей.

31, 39 и 40).

Формула изобретения

Аналого-цифровой преобразователь, содержащий компаратор, первый вход которого соединен с выходом интегратора, выход компаратора соединен с первым входом преобразователя временного интервала в код, второй вход которого соединен с первым выходом блока управления, третий входс вторым выходом блока управления, отличающийся тем, что, с целью расширения области использо

55 ких полей в электролитах и морской воде. Осуществляемое в АЦП измерение

7 12955 вания и повышения точности устройства, в него введены датчик напряжения, фильтр и регистр, первые входы которого соединены с соответствующими выходами преобразователя времен5 ного интервала в код, выходы являются выходными шинами, второй вход соединен с третьим выходом блока управления, четвертый выход которого непосредственно соединен с четвертым 10 входом преобразователя временного интервала в код и через фильтр с объединенными входами интегратора и датчика напряжения, выход которого соединен с вторым входом компарато- 15 ра.

2. Преобразователь по п.1, о т— л и ч а ю шийся тем, что блок управления выполнен на генераторе тактовых импульсов, счетчике импуль- 20 сов, элементе ИЛИ-НЕ, первом и втором элементах И, выходы которых являются соответственно вторыми и тре тьими выходами блока управления, первые входы элементов И объединены и соединены с выходом элемента ИЛИНЕ, второй вход первого элемента Ии второй инверсный вход второго элемента И объединены и соединены с первым входом счетчика импульсов, З0 третьи входы элементов И объединены со счетным входом счетчика импульсов и соединены с выходом генератора тактовых импульсов, m-1 выходов счетчика импульсов соединены с соответству- З5 ющими входами элемента ИЛИ-НЕ, где

m " "число разрядов счетчика импульсов, второй и m-й выходы счетчика импульсов являются соответственно первым и четвертым выходами блока 40 управления.

3. Преобразователь по п. 1, о т— л и ч а ю шийся тем, что преобразователь временного интервала в код выполнен на реверсивном счетчике 45 импульсов и элемента И, первым и вторым входами которого являются соответственно первый и второй входы преобразователя временного интервала в код, а выход элемента И соединен 50 со счетным входом реверсивного счетчика импульсов, входами реверса и сброса которого являются соответственно .четвертый и третий входы преобразователя временного интервала в 55 код, выходами которого являются выходы реверсивного счетчика импульсов.

4. Преобразователь по п. 1„ о т— л и ч а ю шийся. тем, что преоб19 8 разователь временного интервала в код выполнен на счетчике импульсов, элементе ИЛИ, первом и втором элементах И, первый инверсный вход первого элемента И объединен с первым прямым входом второго элемента И и является четвертым входом преобразователя временного интервала в код, второй инверсный вход первого элемента И объединен с вторым прямым входом второго элемента И и является первым входом преобразователя временного интервала в код, третьи прямые входы первого и второго элементов И объединены и являются вторым входом преобразователя временного интервала в код, выходы первого и второго элементов И соединены через элемент

ИЛИ со счетным входом счетчика импульсов, вход сброса которого является третьим входом преобразователя временного интервала в код, п- 1 выходами которого являются прямые выходы счетчика импульсов, а и-м выходом является инверсный выход счетчика импульсов, где п — число разрядов счетчика импульсов.

5. Преобразователь по п.1, о т— л и ч а ю шийся тем, что преобразователь временного интервала в код выполнен на реверсивном счетчике импульсов, элементе ИЛИ, двух элементах И, первый и второй инверсные входы первого элемента И объединены соответственно с первым и вторым прямыми входами второго элемента И и являются соответственно первым и четвертым входами преобразователя временного интервала в код, выходы элементов И через элемент ИЛИ соединены с входом реверса реверсивного счетчика импульсов, счетный вход и вход сброса которого являются соответственно вторым и третьим входами преобразователя временного интервала в код, выходами которого являются выходы реверсивного счетчика импульсов.

6. Преобразователь по п .1, о т— л и ч а ю шийся тем, что преобразователь временного интервала в код выполнен на реверсивном счетчике импульсов и двух элементах И, первый, второй, третий прямые входы первого элемента И объединены соответственно с первым инверсным, вторым инверсным, третьим прямым входами второго элемента И и являются

9 1295519 1О соответственно первым, четвертым и счетным входами реверсивного счетчивторым входами преобразователя вре- ка импульсов, вход сброса и выходы менного интервала в код, выходы пер- которого являются соответственно тревого и второго элементов И соединены тьим входом и выходами преобразовасоответственно с прямым и обратным 5 теля временного интервала в код.

Риа. 4

uz.

1295519

34

Фиг. //

1295519

° °

47 ° °42 УЗ

Составитель А.Титов

Техред В,Кадар Корректор,М. Демчик

Редактор О.Юрковецкая

Заказ 627/61

Тираж 902 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

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

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