Аналого-цифровой преобразователь

 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения сопротивлений или их отношений, а также физических величин, преобра зуемых в электрические напряже1шя с помощью датчиков сопротивлений . Изобретение позволяет повысить помехоустойчивость, точ- . ность. Это достигается тем, что в устройство, содержащее датчик 3 сигнала , интегратор 8, компаратор 9, преобразователь 10 временного интервала в код, регистр 11, накопительный элемент 12, выполненный на конденсаторе , блок управления, выполненный на распределителе 1 импульсов, введены формирователь 2 переменного напряг жения, два накопительных элемента 13, 14, вьшолненных на конденсаторах, интегратор 5, блоки 6, 7 фиксации сигнала . 3 з.п. ф-лы, 5 ил.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСНИХ

РЕСПУБЛИК

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АBTOPGHOMY СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ (21 ) 41 60 30 8/24-24 (22) 19. 11 . 86 (46) 15. 04.88. Бюл. 1 14 (75) Б.M.Юрчиков (53) 681.325 (088.8) (56) Авторское свидетельство СССР

11 - 464867, кл. С 01 R 27/00, 1973.

Авторское свидетельство СССР

1295519, кл. Н 03 М 1/56, 1984. (54) АНАЛОГО-ЦИФРОВОЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ (57) Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения сопротивлений или их отношений, а также физических величин, преобразуемых в электричес

„„SU„„1388987 А1

< р 4 Н 03 И 1/56 кие напряжения с помощью датчиков сопротивлений. Изобретение позволяет повысить помехоустойчивость, точ-, ность. Это достигается тем, что в устройство, содержащее датчик 3 сиг нала, интегратор 8, компаратор 9, преобразователь 10 временного интер вала в код, регистр 11 накопительный элемент 12, выполненный на конденсаторе, блок управления, выполненный на распределителе 1 импульсов, введены формирователь 2 переменного напря жения, два накопительных элемента 13, 14, выполненных на конденсаторах, интегратор 5, блоки 6, 7 фиксации сиг нала. 3 з.п. ф-лы, 5 ил..

1388987

40 татора 4; 50 - на выходе интеграто ра 5; 51 - на выходе блока б; 52на втором выходе датчика 3; 53 - на выходе блока 7; 54 - на выходе интег45 ра тора 8; 55 на выходе компаратора 9.

На временных диаграммах фиг.3 обозначены напряжения: 56 на входе формирователя 2„ 57 - на управляю50 щих входах ключей 19 и 20 блоков 6 и 7 и на входе преобразователя 10;

58 на управляющем входе ключа 17 в блоке 6; 59 - на управляющем входе ключа 18 в блоке 6; 60 на управляю55 щем входе ключа 17 в блоке 7; 61 на управляющем входе ключа 18 в блоке 7; 62 - на первом выходе датчика 3 и входе интегратора 5; 63 - на выходе интегратора 5; 64 - на выходе блоИзобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения сопротивлений или их отношений, а также физических

Величин, преобразуемых в электрические напряжения с помощью датчиков сопротивлений.

Целью изобретения является повышеwe помехоустойчивости, точности.

На фиг.1 показана функциональная хема устройства; на фиг.2 и 3 аре енные диаграммы работы преобразова" еля при питании датчика соответстенно прямоугольным и гармоническим напряжениями; на фиг.4 примеры вы1 олнения схемы формирователя перемен" ного напряжения; на фиг. - временные диаграммы напряжений на входах и

Выходах формирователя переменного наПряжения.

Устройство (фиг.1) содержит блок управления, выполненный на распреде" пителе 1 импульсов, формирователь 2 переменного напряжения, датчик 3 сигналов, аналоговый коммутатор 4, второй интегратор 5, блоки 6 и 7 фиксации сигнала, первый интегратор 8, | компаратор 9, преобразователь 10 вре-. менного интервала в код„ регистр 11, накопительные элементы 12-14, выпол" ненные на конденсаторах, блоки 6 и 7 одержат входы 15 и 16, ключи 17-20, онденсаторы 21 и 22. Сочетание ключа

7(18) с конденсатором 21(22) образует элементарный блок фиксации сигна"ю1а.

Интегратор 8 содержит усилитель 3, конденсатор 24, резисторы 25 и

26, повторитель 27 напряжения.

Интегратор 5 устроен аналогично интегратору 8, но.не содержит повто рителя напряжения, преобразователь IC

Содержит элемент И и счетчик импуль™

ctoa. Компаратор 9 имеет на выходе триггер.

Формирователь 2 переменного напря " жения питания датчика 3 содержит по фиг.1 трансформатор 28, транзисторы 29, резисторы 30, источник 31 по стоянного напряжения:, инвертор 32.

Формирователь 2 по фиг.4 содержит трансформатор 33, ключи, состоящие из диодов 34, транзисторов 35, источ". и ик 36 постоянного напряжения, резис-. торы 37.

Датчик 3 по фиг.1 содержит резис торы 38.

2

Датчик 3 по фиг.4 содержит входные электроды 39, опорные электроды

40, нулевой электрод 41 и выходной электрод 42. Опорные злектроды 40 соединяются через блок 43 согласования (трансформатор или парафазный усилитель) с входом второго фиксатора сигнала. Блок .43 согласования служит, для преобразования парафазного сигнала датчика в однофазный сигнал, а также для предварительного усиления сигнала. Распределителем 1 может служить устройство микропрограммного уп равления, состоящее из генератора тактовых импульсов, счетчика, вход которого соединен с выходом генератора, постоянного запоминающего устройства (ПЗУ), адресный вход которого связан с выходом счетчика и регистра, информационный вход которого связан с выходом ПЗУ, а вход синхронизации - с выходом генератора такто« . вых импульсов. Выход каждого разряда регистра соединен с соответствующим . выходом выходной шины распределителя 1. Последовательность сигналов на каждом выводе этой шины определяется программой, хранящейся в ПЗУ.

На временных диаграммах фиг.2 обо значены напряжения: 44 - на входе формирователя 2, на управляющих вхо дах ключей 19 и 20 в блоках 6 и 7 и на выходе преобразователя 10; 45на управляющем входе аналогового ком мутатора 4; 46 - на управляющем входе ключа 17 в блоках 6 и 7; 47 — на управляющем входе ключа 18 в блоках

6 и 7; 48 - на первом выходе датчика

3; 49 - на выходе аналогового комму1388987 ка 6; 65 - на втором выходе датчика

3; 66 - на выходе блока 7; 67 на выходе интегратора 8.

На временных диаграммах фиг.4 обозначены напряжения: 68 - на выхо де трансформатора 33; 69 - 72 - на базах транзисторов 35; 73-76 - на ба/ зах транзисторов 35.

Устройство (фиг.1) работает следующим образом.

Прямоугольные колебания 44 типа

"меандр поступают из распределителя

1 импульсов на вход формирователя 2.

На вторичной обмотке трансформатора

28 формируются прямоугольные колеба ния, не привязанные к нулевому потенциалу. Эти колебания поступают на последовательно соединенные резисторы 38 датчика 3, общая точка которых заземлена. Напряжение 48 со второго выхода датчика, имеющее вид колебаний, фаза которых совпадает с фазой колебаний 44, поступает на аналоговый коммутатор 4,на управляющий вход которого подаются импульсы 45, отключающие вход интегратора 5 от первого выхода датчика 3 и подключающие.его через конденсатор 14 к "земле", в моменты фронтов и спадов ко лебаний 48. Поэтому входное напряжение 49 интегратора 5 интегрируется в промежутках между импульсами 45, а во время действия этих импульсов ре зультат интегрирования фиксируется и запоминается блоком 6, причем на конденсаторе 21 блока 6 запоминается положительный, а на конденсаторе 22отрицательный уровни горизонтальных . участков выходного напряжения 50 ин тегратора 5. Эти уровни передаются

-на конденсаторы 21 и 22 через ключи

17 и 18 блока 6 по управляющим импульсам 46 и 47. На управляющие входы.ключей 19 и 20 подаются колебания

44, причем на ключ 19 - с инверсией.

Поэтому на выход блока 6 напряжение с конденсаторов 21 и 22 передается в те полупериоды, когда эти конденсаторы отключены ключами 17 и 18 от ин тегратора 5. Это исключает влияние переходных процессов при коммутации ключей 17 и !8 на уровни выходного напряжения 51 блока 6.

Напряжение 52 на втором выходе датчика 3 находится в противофазе с 55 напряжением 48. Раздельная фиксация

его.положительного и отрицательного уровней и их передача на вход интегратора 8 осуществляется блоком 7, работающим с точностью до полярности напряжений на запоминающих конденсаторах аналогично блоку 6. Прямоуголь" ные колебания 53, формируемые на выходе блока 7, преобразуются интегратором 8 в треугольные колебания 54, которые сравниваются компаратором 9 с колебаниями 51. В результате на выкоде компаратора 9 формируются колебания 55, поступающие в преобразователь 10, преобразующий временной интервал, соответствующий сдвигу фазы колебаний 55 относительно опорных колебаний 44, в цифровой код, который затем передается в регистр 11 Этот фазовый сдвиг однозначно определяечся отношением амплитуд напряжений 51 и 54, т.е. отношением напряжений 48 и 52, а значит и отношением сопротивлений резисторов 38 датчика 3.

Процесс продвижения сигналов в" устройстве показан на фиг.2 сплошными пунктирными стрелками для различных полупериодов выходного сигнала датчика 3. Интегратор 5 вносит дополнительную задержку в полпериода, в ре зультате чего компаратором 9 сравниваются уровни сигналов Sl и 54, определяемые уровнями сигналов 48 и 52 датчика 3 в разные (соседние) полупериоды: колебания 51 отстают на полпериода от колебаний 54. При медленном (по сравнению с периодом колебаний

44) изменении сопротивлений резисторов 38 или амплитуды выходного напря жения формирователя 2 это не влияет на результаты измерений. Однако нали чие синфазной помехи на обоих выходах датчика 3 с частотой, равной или близкой к частоте опорных колебаний

44, может вызвать ошибку измерения, . так сдвиг в полпериода, вносимый интегратором 5, приводит к тому, что на первый вход компаратора 9 эта помеха приходит в противофазе с помехой на втором его входе. Источником синфазной помехи с частотой, равной частоте колебаний 44, может оказаться, например, наводка на вторичную обмотку трансформатора 28; напряжения с его первичной обмотки через межобмоточные емкости. Для устранения влияния подобных помех достаточно внести задержку в полпериода в сигнал 54 на втором входе компаратора 9 с помощью дополнительного

1388987 6 блока фиксации сигнала, включенного между блоками 7 и 8 (не показан).

B схеме на фиг.1 на блоки 6 и 7, подаются одинаковые управляющие ив » пульсы 46 и 47. Можно подавать на

5 управляющие входы входных ключей блока 7 импульсы, задержанные относительно импульсов 46 и 47 на любое время в пределах данного полупериода. 10

В частности, вместо того, чтобы сле довать сразу за фронтами (как импуль, сы 46) и спадами (как импульсы 47).

,сигнала 44, эти импульсы могут не-! . посредственно предшествовать фронтам и спадам сигнала 44. Однако при на" личин "скола" вершин колебаний 52

, амплитуда колебаний 53 оказывается уменьшенной, что должно быть скомпен сированно соответствующим ослаблени- 2р ем колебаний 51 или увеличением ко" лебаний 54, например, за счет соот-! .ветствующего выбора постоянной времени интегратора 5 или 8.

Конденсатор 12 и резистор 26 обес- 25 печивают 1ООХную отрицательную обратную связь усилителя 23 по постоянному. току. При достаточно большой емкости конденсатора 12 обратная связь по переменному току через резистор

26 практически отсутствует и линейность наклонных участков напряжения

54 не ухудшается. Повторитель 27 на пряжения позволяет практически исключить разряд запоминающих конденсаторов блока 7 через входную цепь ин35 тегратора 8.

В случае питания датчика гармони» ческим напряжением прямоугольные колебания 56 (фиг.З) должны быть преобразованы формирова гелем переменно

ro напряжения в гармонические колебания, Это может быть сделано с по". мощью последовательного соединения узкополосного фильтра, настроенного на основную частоту колебаний 56, и линейного усилителя или с помощью схемы, содержащей трансформатор ЗЗ, и электронные ключи, состоящие из диодов 34 и транзисторов 35 управУ

50 ляемых выходными сигналами 69-76 (фиг.4) распределителя импульсов. E) последнем случае напряжение питания датчика имеет вид ступенчато-гармонических колебаний 68. При необходимости ступеньки могут быть сглажены дополнительным фильтром низкой частоты, включенным между трансформатором

33 и входными электродами 39 датчика (Фиг.4). Датчик (фиг.4) представляет собой электроды 39-42, погруженные в электролит или, например, морскую воду. С помощью этого датчика может быть измерено перемещение электрода

42 относительно нулевого положения, определяемого местоположением заземленного электрода 41, в границах, задаваемых местоположениями электродов 40. Электрод 42 играет роль первого, а электроды 40 - второго выхода датчика °

Электрод 42 через конденсатор 13 подключен к входу интегратора 5 (на фиг.1 аналоговый коммутатор 4 в этом случае не обязателен). Электроды 40 через блок 43 согласования (трансформатор или парафазный усилитель) под ключены к блоку 7. При этом гармонические колебания 62 (фиг.3) на входе интегратора 5 (фиг.1) и колебания 65 на входе блока 7 находятся в противофазе или в фазе, в зависимости от полярности включения трансформатора или парафазного усилителя блока 43. На пряжение 63 на выходе интегратора 5 имеет форму гармонических колебаний, смещенных на четверть периода относи тельно колебаний 62. Блоки 6 и 7 преобразуют колебания 63 и 65 в прямоугольные колебания 64 и 66 с теми же амплитудами. Поскольку колебания 63 и 65 смещены относительно друг друга на.четверть периода, импульсы 58 и

60, а также 59 и 61, управляющие запоминанием амплитуд колебаний 63 и

65 .в блоках б и 7, должны быть попар" на сдвинуты относительно друг друга на четверть периода. Колебания 57, управляющие передачей амплитуд сигналов 63 и 65 на выходы блоков 6 и 7 и одновременно поступающие на .вход преобразователя 10, сдвинуты на четверть периода относительно колебаний

56. В остальном работа устройства аналогична ранее рассмотренной (при питании датчика прямоугольными колебаниями), т.е. сигналы 64, 66 и 67 (фиг.3) аналогичны соответственно сигналам 51, 53 и 54 (фиг.2). Выход-. ной код устройства отражает отноше ние величины смещения электрода 42 относительно электрода 41 (с учетом направления) к расстоянию между элек тродами 40. Таким образом, нри изменении расстояния между электрода ми 40 изменяется масштаб, в котором измеряется смещение электрода 42, 1388987

Для измерения малых величин может потребоваться усиление сигнала,для чего на первом выходе датчика 3 и на выходе фиксатора 6 могут быть вклю5 чены соответственно дополнительные усилители (не показаны).

Отсутствие сквозного тракта про хождения сигнала позволяет получить большое усиление без опасности возникновения паразитной обратной связи между входом и выходом тракта. Это вместе с фильтрующим действием интег- ратора 5 и блока 6 повьппает помехоус тойчивость, а значит, и чувствитель-35 ность устройства.

Отсутствие искажений формы колебаний на .входах интегратора 8 и компа ратора 9 при любой форме колебаний на выходах датчика благодаря примеие-20 нию блоков 6 и 7 повьппает точность устройства. Выполнение блоков 6, 7 в виде двух параллельных цепей с раздельной фиксацией уровней положитель ной и отрицательной полуволн сигнала обеспечивает дополнительное увеличение точности.

Формула и з о б р е т е н и я

3. Аналого-цифровой преобразова тель, содержащий датчик сигналов, первый накопительный элемент, выпол» ненный на конденсаторе, первый интегратор, выход которого соединен с первым входом компаратора, выход кото рого соединен с информационным входом преобразователя временного интервала в код, выходы которого соединены с соответствующими информационными вхо" 40 дами регистра, вход управления кото рого соединен с первым выходом блока управления, выполненного на распреде" лителе импульсов, а выходы регистра . являются выходными шинами, о т л и» ч а ю шийся тем, что, с целью повьппения помехоустойчивости, точнос" ти, введены формирователь переменно-. го напряжения,i второй и третий накопительные элементы, выполненные на конденсаторах, второй интегратор, аналоговый коммутатор, первый и второй блоки фиксации сигнала, выход первого блока фиксации сигнала через первьп конденсатор соединен с входом первого интегратора, информационный вход первого блока фиксации сигнала соединен с первым выходом датчика сигнала, первые управляющие входы первого и второго блоков фиксации сигнала и преобразователя временного интервала в код объединены и соединены с вторым выходом распределителя импульсов, второй и третий входы уп» равления первого блока фиксации сигнала соединены соответственно с третьим и четвертым выходами распредели теля импульсов, пятый выход которого через формирователь переменного напряжения соединен с первым и вторым входами датчика сигнала, шестой выход соединен с первым и вторым управляющими входами аналогового комму татора, седьмой выход соединен с вто. рым управляющим входом второго блока фиксации сигнала, восьмой выход соединен с управляющим входом компаратора и вторым управляющим входом преобразователя временного интервала в код, третий управляющий вход которого соединен с девятым выходом распределителя импульсов, причем второй выход датчика сигнала через второй конденсатор соединен с первым информационным входом аналогового комму татора, второй информационный вход которого через третий конденсатор, соединен с общей шиной, а первый и второй выходы объединены и через вто" рой интегратор соединены с информационным входом второго блока фиксации сигнала, выход которого соединен с вторым входом -компаратора, третий управляющий вход второго блока фикса" ции сигнала соединен с десятым выходом распределителя импульсов.

2. Преобразователь по п.3 о тл и ч а ю шийся тем, что первый интегратор выполнен на усилителе, повторителе напряжения, трех резисто" рах, конденсаторе, первая обкладка которого объединена с первым выводом первого резистора, выходом усилителя и является выходом интегратора, вто рая обкладка конденсатора объединена с первым выводом второго резистора и инверсным входом усилителя, прямой вход которого через третий резистор соединен с общей шиной, второй вывод второго резистора соединен с выходом повторителя напряжения, вход которого объединен с вторым выводом первого резистора и является входом интегратора.

3. Преобразователь по п.3, о тл и ч а ю шийся тем, что блок фиксации сигнала выполнен на четырех

1388981) 10

Фа t ю ñ ll Jjt

47 t

08 1

Х Я ключах и двух конденсаторах, первые обкладки которых объединены и являют ° ся общей шиной, вторая обкладка первого конденсатора объединена с выхо5 дом первого ключа и соединена с ин1 формационным входом второго ключа, вторая обкладка второго конденсатора объединена с выходом третьего клю ча и соединена с информационным вхо дом четвертого ключа, выходы второго и, ÷åòâåðòîãî ключей объединены и являются выходом блока, управляющие входы второго и четвертого ключей объединены и являются первым управля ощим входом блока, информационные входы первого и третьего ключей объединены и являются информационвходом блока, управляющие входы пе вого и третьего ключей являются gQ со тветственно вторым и третьим упр ляющими входами блока., 4. Преобразователь по п.1, о тл и ч а ю шийся тем, что, с цель о снижения рассеиваемой мощности, формирователь переменного напряжения выполнен на трансформаторе, двух резисторах, источнике постоянного напряжения, двух транзисторах, инверторе, вход которого соединен с первым выводом первого резистора и является входом формирователя переменного напряжения, второй вывод первого резистора соединен с базой первого транзистора, змиттеры первого и второго транзисторов и клемма отри цательной полярности источника постоянного напряжения объединены и являются общей шиной, а коллекторы соединены соответственно с первым и вторым выводами первичной обмотки трансформатора, средний вывод которой соединен с клеммой положительной полярности источника постоянного напряжения, выход инвертора через второй резистор соединен с базой второго транзистора, первый и второй выводы вторичной обмотки трансформатора являются соответственно первым и вторым выходами формирователя переменного напряжения.

1388987

1388987

69 .

Составитель А.Титов

РЕдактор Т.Лазоренко Техред Л.Олийнык

Корректор М,демчик

3,заказ 1585/56 Тираж 928 Подписное

ВНИИЛИ 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