Интегрирующий аналого-цифровой преобразователь

 

Изобретение относится к электроизмерительной технике и может быть использовано для создания высокоточных измерительных устройств или устройств , предназначенных для работы в тяжелых климатических условиях. Целью изобретения является повышение точности преобразования. Введение новых узлов - первого 1 и второго 2 переключателей, дифференциального усилителя 5, ключей 3, 4, 18 и 19, а также изменение алгоритма работы - воспроизведение многократного повторения частных циклов в течение полного цикла преобразования и нахождение результата преобразования за полньй цикл как суммы разностей интервалов времени в частных циклах, позволило значительно повысить точность . Введение третьего конденсатора позвол1гло разнести в пространстве процессы преобразования в четном ,и нечетном частных циклах. 2 з.п. ф-лы, 5 ил. а в (Л -% САЭ 4 сл ро.

СОЮЗ СОВЕТСНИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСНИХ

РЕСПУБЛИН

„„SU„„1 14458 (51)4 Н 03 И 52

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Н А BTOPCHOMY СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТИЙ (21) 4030559/24-24 (22) 03.03.86 (46) 30.05.87. Бюл. № 20 (71) Пензенский политехнический институт (72) О, А. Голышевский, Э. К. Шахов, В. Д. Михотин, В. М, Шляндин и P. Ш. Халиков (53) 681.325(088,8) (56) Орнатский П. П. Автоматические измерения и приборы. Киев: Виша школа, 1973, с. 435-437.

Авторское свидетельство СССР № 739731, кл. Н 03 М 1/52, )980, (54) ИНТЕГРИРУИБИЙ АНАЛОГО-ЦИФРОВОЙ

ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ (57) Изобретение относится к электроизмерительной технике и может быть использовано для создания высокоточных измерительных устройств или устройств, предназначенных для работы в тяжелых климатических условиях.

Целью изобретения является повышение точности преобразования. Введение новых узлов — первого 1 и второго 2 переключателей, дифференциального усилителя 5, ключей 3, 4, 18 и 19, а также изменение алгоритма работы— воспроизведение многократного повторения частных циклов в течение полного цикла преобразования и нахождение результата преобразования за полный цикл как суммы разностей интервалов времени в частных циклах, позволило значительно повысить точность. Введение третьего конденсатора позволило разнести в пространстве процессы преобразования в четном,и нечетном частных циклах. 2 3 и. ф-лы, 5 ил.

К моменту t„ выходное напряжение

35 интегратора 6 достигает значения

1 131445

Изобретение относится к электроизмерительной технике и может быть использовано для построения прецизионных цифровых средств измерения.

Цель изобретения — повьппение точности, На фиг. 1 приведена функциональная схема устройства;. на фиг. 2 и

3 — временные диаграммы работы устройства; на фиг. 4 - его амплитудно- 10 частотная характеристика, нафиг. 5 конструкция устройства управления, Устройство (фиг, 1} содержит переключатели 1 и 2, ключи 3 и 4, дифференциальный усилитель 5, интегра- 15 торы 6 и 7, неинвертирующий усилитель 8, нуль-орган 9, генератор 10 тактовых импульсов, устройство 11 управления и преобразователь 12 временных интервалов в код, ключ 13„ 20 причем интегратор 6 состоит из резисторов 14„, 14 и 14> конденсатора

15, операционного усилителя 16, интегратор 7 — из резисторов 17„ и 17 ключей 18-20, конденсаторов 21 и 21, операционного усилителя 23, Устройство 11 управления (фиг, 5) содержит делители 24-26 частоты, формирователи 27 и 28 импульсов, счетчик 29 импульсов, RS-триггер 30„ ин- 30 верторы 31-34, элементы ИЛИ 35 и 36, элементы И 37 и 38, выход последнего из которых является вторым входом устройства управления, первый вход устройства управления объединен с входом делителя 24 частоты, выход элемента 37 янляетея восьмым выходом устройства управления, выход иннертора 34 является третьим выходом устройства управления, выход делителя 40 .25 частоты является пятым выходом устройства управления. Выход делителя.26 частоты является шестым выходом устройства упранления, вход формирователя 27 импульсон является нто- 15 рым входом устройства управления, выходы элементов ИЛИ 35 и 36 являются четвертым и седьмым выходами устройства управления соответственно, выход инвертора 31 является первым 50 выходом устройства управления.

Работа устройства осуществляется .следующим образом, Полный цикл преобразования Т„ состоит иэ частных циклов Т ц = 2 Тц, 55

Рассмотрим сначала процесс преобразования з а один частный i-й цикл Т ц, Начиная с момента времени 11 по сигналу с устройства 11 управления

8 2 переключатели 1 и 2 находятся н положениях, показанных на фиг. l, и на выходе дифференциального усилителя

5 с коэффициентом усиления, равным н данном случае l, формируется преобразуемое напряжение,3„(t) положительной полярности (зпюра а, фиг. 2).

Для простоты (без ограничения общности получаемых далее формул) примем т что напряжение П„(1) постоянно в течение частного цикла преобразования и равно U .

В интервале (t ; t ) ключ 13 находится в разомкнутом состоянии. К входам интегратора 6 подаются выходное напряжение дифференциального усилителя 5, опорное напряжение U о и напряжение смещения е (t) интег2н ратора 7. Кроме того, на результат интегрирования влияет собственное смещение e„(t) операционного усилителя (ОУ) интегратора 6. Примем, что напряжения смещения дифференциального усилителя и ОУ интеграторов за времена частных циклов Т ц не меняют своих значений. Поэтому при выводе функции преобразования вместо обозначений е„(t ) е (), е1й (t ) е „(t ) и К(+) будем использовать обозначения е„, е1 е н е2н и E (E — напряжение смещения дифференциального усилителя 5).

П,(t,„) = — " (t,-t,,)—

R, Ñ, )

e d (t — t )

„Г - Й„Т;, где П вЂ” опорное напряжение,U > 0); е — напряжение смещения ОУ ин2Н тегратора 7, оказывающее действие на результат интегрирования интегратором 6 только за время, когда ключ 13 находится н разомкнутом состоянии;

+- R,„(R, + Р„);

3 13144

= Т /2 представляет сор Ц бой четверть цикла преобразования, а Тц, — половину частного цикла преобразования.

В этот же момент по сигналу с устройства !1 управления замыкается ключ 13 и выходное напряжение отрицательной полярности неинвертирующего усилителя 8 поступает на третий вход интегратора 6 и первый вход ин- 10 тегратора 7.

К моменту времени t2 напряжение на выходе интегратора 6 достигает значения

Uo R1 4 ER 1e

- — -(h -h ) — — (С -C )—

2 0 R д 1

142 1е, — — (с -t,) +

Е2Н 14

КИ + В1(43 17, ) (t1 t Î)

1 е,h - R

142 т (tг t1 )

В14 С15 где h = Rqe R14+ В14вН17,, + R74„"171

U (— напряженйе на выходе ключа

1 3 в интервале от t äî t2, когда оно остается постоянным и равным (за вычетом падения напряжения на замкнутом30 ключе) напряжению насыщения усилителя 8 (эпюра с, фиг, 2).

В момент времени t< усилитель 8 выходит из насьпцения и начинает действовать обратная отрицательная связь (ООС) через замкнутый ключ 13 и резистор 141, охватывающая последовательно включенные интегратор 6, усилитель 8 и ключ 13. Постоянная времени этого апериодического звена 40

Равна В14 С 5/КВ, где К8 — коэффици14 в ент усиления усилителя 8. По окончании переходного процесса, который длится весьма короткое время, в рассматриваемой системе устанавливается 45 напряжение обратной связи

1

U R» U R«ç ЕВ»

А о R« R« R» « » gU

U() T (2

1) + рс(3 t2) 55 е (Н17 + R11 ) тц, Ъ1 2117 С,„2

"е(t2) = "в(t ) — В С (г t„)

14, <5

2 1)

R1e C

+ 1 ()

- 114вН 14 2С 15

Начиная с момента". - на выходе интегратора 6 устанавливается напряжение

U (t)

1!ос

Кв

Площадь импульса на выходе ключа

13 в течение времени

Ц, (h,-e, ) " — (C,-C.)—

К14 а в течение времени t>-t2 определяютН ся выражением для U<(. Общая площадь сигнала на выходе ключа 13:

s -- — т„- — 1т,;Ох 144 Uo R(4

R1e2

»»»1 . е,h т„; е,„й» т»;

e„d R1e т

R„ R„42(В 3+ R„7) 2 учитывая что t — t аю T . °

Ф Э о ц т —, = т„;/2,.

В момент 1 по сигналу с устройства 11 управления замыкаются ключи

3 и 18 и размыкаются 4 и 19. Сигнал с выхода ключа 13 поступает в течение интервала ft „; t >) на интегратор

7, который к моменту t„ имеет некоторое начальное напряжение. Причем это начальное напряжение имеет место во всех частных циклах, кроме первого, перед началом которого интегратору 7 принудительно задаются нулевые начальные условия посредством одновременного замыкания ключей 18, 19 и 20 на короткое время, достаточное для полного разряда конденсаторов 21 и 22. В результате напряжение на выходе интегратора 7 к моменту времени t достигает значения

1314458

Пкн

- - - = — 1К С

2 е11114 Ты11 е- 1 н R 4 у Р i 1 z

V R + В„7Э,„

1О Гн, e<6 Ri4qR

e>(R«, + R„,) Т; — +

2 !

UoR1U „ где е,„— смещение по напряжению ОУ интегратора 6, влияющее на результат интегрирования интегратором 7 за время, когда ключ 13 находится в разомкнутом состоянии.

В момент времени t выходное напряжение интегратора 7 переходит ну— левой уровень, в результате чего выходное напряжение нуль-органа 9 изменяет свою полярность. Соответствующий сигнал поступает на устройство ll управления, которое в этот момент замыкает ключ 4 и размыкает 3.

Благодаря этому интегратором 7 интегрируется напряжение смещения е „ и собственное напряжение смещения е . Таким образом, к моменту времени

1 .на интегрирующем конденсаторе 21 накапливается напряжение U „ ; — конечное для нечетного i-го полуцикла преобразования, соответствующее начальному напряжению U, „ для (i+1)ro нечетного полуцикла. В момент t с учетом t — 1 = ЬТн

Jl н

« «Р Т ег

U,(Б„, + R„) где U — начальное напряжение для нн нечетного полуцикла частного i-го цикла преобразования.

Начальное напряжение для i-ro цикла преобразования соответствует конечному значению напряжения для (i1)-го цикла. Это напряжение представляет собой выходное напряжение интегратора 7 в момент окончания нечетного полуцикла (i-1)-го частного цикла преобразования.

После момента t,êëþ÷ 13 раэмыка3 ется по команде с устройства управления и на интегратор 7 поступает опорное напряжение П и напряжение е н смещения ОУ интегратора 6. Поэтому на интервале времени It>, t ) напряжение на выходе интегратора 7 изменяется по закону

В 11С1 Uwi 11,Н»1R Ð

Uî + 11 В Н и е (Рн+г117» +Б )-е1 1 и

+й — дТ +

Uo Ri+ +

I (П1 Б1 1, ERi,Ri„

По аналогии с этим и при условии, что Uz„, — — 0 и U « — 0 (фиг, 3а), можно составить уравнения преобразования для 1-го ..., i-го ..., n-го нечетных частных полуциклов °

Уравнение, описывающее процесс преобразования в последнем и-м частном нечетном полуцикле, отличается от всех предшествующих уравнений тем, что длительность этого полуцикла укорочена, вследствие чего реальная ве— совая функция(фиг, 3 б, сплошная линия) отличается от идеальной (пунктирная линия, фиг. 3 б). Такое искажение весовой функции приводит к появлению в ней постоянной составляющей и, как следствие, к неполному подавлению напряжений е и е,„ смещения интеграторов.

Однако, если количество частных циклов в пределах одного полного цикла достаточно велико, указанное отличие реальной весовой функции от идеальной практически мало скажется на степени подавления низкочастотных внутренних шумов, в том =.исле напряжения смещения.

Длительность суммарного интервала времени дТ, пропорционального среднему значению преобразуемого напряжения U за время нечетных частных полуциклов полного цикла преобразо аНН Т„:

iR + R, R,.J-e R ), 1314458 х (д Тнп — д Т4п ) 35

+ g А. +, >»

1 1 к — " +(1Н 14 х

1 х дт

55 к

1 0»4» 111

7 ,1»,(В., +R„,»R„) e R...

В течение четного полуцикла i-го частного цикла преобразования в момент времени t ло сигналу с устрой- »g

3 ства 11 управления изменяется состояние переключателей 1 и 2 и размыкается ключ 13. В результате на вывыходе дифференциального усилителя

5 формируется преобразуемое напря- 15 жение отрицательной полярности и начинается четный i-й частный цикл преобразования. В момент времени t происходит смена состояний ключей

18 и 19, конденсатор 21 отключается 2р от выхода интегратора 7 и хранит напряжение 1»«; »конечное для нечеткого

i-ro частного полуцикла, а конденсатор 22 вторсй обкладкой подключается к выходу интегратора 7, Процесс 25 преобразования, происходящий в четном полуцикле, подобен процессу, имеющему место в нечетном полуцикле.

С учетом смены знаков преобразуемого напряжения суммарный интервал вре- 3О мени, пропорциональный среднему значению U за время четных полуциклов, определяется выражением

П

U„R»4 А»11»г п 4 — 11 R R и

О »4» 111

Длительность информативного интервала времени, пропорционального средI нему значению 1. за время полного 50 цикла преобразования Тп, может быть найдена как разность ат,„, = дт„- дт, = е.. (Б»4 +R»,+R»7 )-е„R14

U,R, +R„ к 144 л»

Видно, что погрешность преобраэо вания за полный цикл определяется только разностью результатов интегрирования дрейфов ОУ интеграторов за информативный интервал времени d Т„, в нечетном и за T — в четном полу4п циклах последнего п-го частного цикла преобразования. Укаэанная погрешность может быть уменьшена увеличением числа п частных циклов Т„ в течение полного цикла преобразования

Т . Введение в устройство многократh ного повторения частных циклов Т ц, (фиг. 3a) практически означает реализацию в нем весовой функции (ВФ), вид которой показан на фиг ° 3 б. Применение таких ВФ позволяет эффективно бороться не только с постоянным напряжением смешения, но и с собственными шумами элементов схемы.

Уменьшение влияния собственных шумов элементов схемы иллюстрируется графическими зависимостями на фиг. 4.

Пунктирная линия соответствует амплитудно-частотной характеристике (АЧХ) преобразователя обычного двухтактного интегрирования, кривые 1 и

2 представляют собой АЧХ преобразователя, реализующего ВФ (фиг. 3 б), с числом частных циклов преобразования, равным четырем и восьми. С увеличением п числа частных циклов в течение полного цикла преобразования Т„ площадь, ограниченная кривой, соответствующей АЧХ преобразователя, реализующего по отношению к собственным шумам названную вьппе ВФ, значительно уменьшается. Поскольку мощность шумов на выходе преобразователя пропорциональна квадрату данной площади, то значительно уменьшается и влияние шумов на результат преобразования.

По отношению к последнему сигналу в схеме реализуется обычная прямоугольная ВФ, т.е. ВФ, равная 1 на интервале Т„ полного цикла преобразования.

Однако при реализации указанных ВФ в реальных устройствах в каждом цикле преобразования присутствует погрешность квантования. При этом возможно накопление погрешности квантования

1314458 для исключения которой опорное напря кение отключают от входа интегратора 7 в момент прихода первого квантующего импульса после момента равенства нулю накапливаемого на интеграторе напряжения.

Преобразователь интервалов времени в код представляет собой обычный реверсивный счетчик необходимой емкости, который устанавливается в нуль в конце цикла преобразования

Т а тем же сигналом, который управляет работой ключа 20, на его счетный вход поступают пачки импульсов, соответствующих значениям информативных интервалов времени dT„; и hT„,, С седьмого и шестого выходов устройства 11 управления поступают сигналы, управляющие реверсом данного счетчика.

Формула изобретения

1. Интегрирующий аналого-цифровой преобразователь напряжения, содержащий два интегратора, неинвертирующий усилитель, два ключа, нуль-орган, reнератор тактовых импульсов и устройство управления, первый вход которого соединен с выходом генератора тактовых импульсов, а второй — с выходом нуль-органа, первый вход первого интегратора является шиной опорного напряжения, выход

I первого интегратора соединен с входом неинвертирующего усилителя, выход которого через первый ключ сое— динен с вторым входом первого и первым входом информационным второго интеграторов, выход последнего соединен с первым входом нуль-органа, второй вход которого подключен к общей шине, управляющий вход первого ключа соединен с первым выходом устройства управления, второй выход которого соединен с управляющим входом второго ключа, выход которого подключен к второму информационному входу второго интегратора, о т л ич а ю шийся тем, что, с целью повышения точности, в него введены дифференциальный усилитель, третий, четвертый ключи, преобразователь временных интервалов в код, первый и второй переключатели, первые входы которых объединены и являются шиной преобразуемого сигнала, вторые входы соединены с общей шиной, а выходы подключены соответственно к первому и второму входам дифференциального усилителя, выход которого соединен с третьим входом первого интегратора, при этом третий информационный вход второго интегратора через третий ключ соединен с шиной опорного напряжения, а через четвертый ключ — с общей шиной, управляющие входы третье10 ro и четвертого ключей подключены соответственно к третьему и четвертому выходам устройства управления, пятый выход которого соединен с управляющими входами первого и второго переключателей, шестой и седьмой выходы устройства управления соединены соответственно с первым и вторым управляющими входами второго интегратора и первым и вторым входами пре20 образователя интервалов времени в код, третий вход которого соединен с восьмым выходом устройства управления, выход является выходной шиной, а четвертый вход подключен к второму выходу устройства управления, информационный вход второго ключа соединен с выходом второго интегратора.

2. Преобразователь по и. 1, о тл и ч а ю шийся тем, что второй интегратор выполнен на операционном усилителе, двух резисторах, двух ключах и двух конденсаторах, первые выводы которых объединены и соединены с инвертирующим входом операцион35 ного усилителя, который соединен с первыми выводами первого и второго резисторов, вторые выводы резисторов являются соответственно первым и третьим информационными входами интегратора, информационные входы ключей подключены к выходу операционного усилителя, являющегося выходом интегратора, выходы первого и второго ключа подключены соответственно к вторым выводам первого и второго конденсатора, инвертирующий вход операционного усилителя является вторым информационным входом интегратора, управляющие входы ключей

50 являются соответственно первым и вторым управляющими входами интегратора, а неинвертирующий вход операционного усилителя соединен с общей шиной, Э. Преобразователь по п. о тл и ч а ю шийся тем, что устройство управления выполнено на первом, втором, третьем делителях частоты, первом и втором формирователях

) 314ч58

20 импульсов, счетчике импульсов, RHтриггере, первом, втором, третьем и четвертом инверторах, первом, втором элементах ИЛИ, первом и втором элементах И, выход первого из которых является вторым выходом устройства управления, первым входом устройства управления являются вход первого делителя частоты и первый вход второго элемента И, выход которого является восьмым выходом устройства управления, выход первого делителя частоты соединен с входами первого инвертора, второго делителя частоты, первого формирователя импульсов и счетчика импульсов, выход которого. через второй инвертор соединен с первым входом первого элемента И, второй вход которого соединен с выходом третьего инвертора и является третьим выходом устройства управления, выход второго делителя частоты является пятым выходом устройства управления, выход первого инвертора является первым выходом устройства управления и соединен с входом третьего делителя частоты и первым входом первого элемента ИЛИ, второй вход которого соединен с прямым выходом ВЯ-триггера H объединен с вторым входом второго элемента И, выход третьего делителя частоты является шестым выходом устройства управления и через четвертый: инвертор соединен с первым входом второго элемента ИЛИ, второй выход которого соединен с выходом первого элемента И, S-вход RH-триггера соединен с выходом первого формирователя импульсов, а 3-вход через второй формирователь импульсов является вторым входом устройства управления, выход первого элемента ИЛИ соединен с входом третьего инвертора, выходы первого и второго элементов ИЛИ являются седьмым и четвертым выходами устройства управления соответственно.

13I4458

13 1 4458

5 1 б

0PzNAl1

Составитель В. Махнанов

Редактор М, Дылын Техред М. Ходанич Корректор H. Муска

Тираж 901 Подписное

ВНИИПИ Государственного, комитета СССР по делам изобретений и открытий

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

Заказ 2981

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