Аналого-цифровой преобразователь с промежуточным преобразованием в частоту

 

Изобретение относится к импульсной технике, и в частности, к преобразователям напряжения в цифровой код и может быть испольяовано в устройствах сбора аналоговой информации автоматизированных систем контроля и управления, выполненных на основе средств управляющей вычислительной техники. Изобретение позволяет повысить точность преобразования. Это достигается тем, что в преобразователь , содержащий резистивный делитель 8 напряжения, ключи 10,11,преобразователь 7 напряжения в частоту, элементы И 22,23, элементы ИЛИ 25,26 счетчик 13 старших разрядов и счетчик 14 младших разрядов, цифроаналоговый преобразователь 9, блок 19 управления , введены реверсивный счетчик 16 импульсов, временной компаратор 17, блок 18 коррекции временного интервала, дешифратор 27, элемент И 24, делитель 28 частоты, ключ 12, формирователи 20,21 импульсов. Благо даря введенным блокам вьтолКяется подстройка коэффициента преобразования преобразователя 7, исключающая влияние погрешностей на окончательный результат преобразования, и тем самым повьшйется точность работы 3 з.п. ф-лы. 5 ил. - SS сл

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИН

iso 4 Н 03 М 1/60

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Н ABTOPCHOMY СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ СССР

ПО.ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ (21) 4243139/24-24 (22) 12.05.87 (46) 30.11.88.Fâë. Ф 44 (71) Всесоюзный научно-исследовательский институт электромеханики (72) А.И.Воителев и Л.М.Лукьянов (53) 681.325 (088.8) (56) Прянишников В.А, Интегрирующие цифровые вольтметры постоянного тока.

Л,: Энергия, 1976, с. 169.

Там же, с.43, рис. 1-15. (54) АНАЛОГО-ЦИФРОВОЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ С ПРОМЕЖУТОЧНЬМ ПРЕОБРАЗОВАНИЕМ

В ЧАСТОТУ (57) Изобретение относится к импульсной технике, и в частности, к преобразователям напряжения в цифровой код и может быть использовано в устройствах сбора аналоговой информации автоматизированных систем контроля и управления, выполненных на основе средств управляющей вычислительной

„„SU„„1441479 А 1 техники. Изобретение позволяет повысить точность преобразования, Это достигается тем, что в преобразователь, содержащий резистивный делитель 8 напряжения, ключи 10,11,преобразователь 7 напряжения в частоту, элементы И 22,23, элементы ИЛИ 25,26, счетчик 13 старших разрядов и счетчик I 4 младших разрядов, цифроаналоговый преобразователь 9, блок 19 управления, введены реверсивный счетчик 16 импульсов, временной компаратор 17, блок 18 коррекции временного интервала, дешифратор 27, элемент

И 24, делитель 28 частоты, ключ 12, формирователи 20,71 импульсов. Благо- Я даря введенным блокам выполияется подстройка коэффициента преобразования преобразователя 7, исключающая влияние его погрешностей на окончательный результат преобразования, и тем самым повышается точность работы.

3 з и. ф лы. 5 ил.

I44I 479

Изобретение относится к импульсной технике, в частности к преобразователям напряжения в цифровой код с промежуточным преобразованием в част от у и мпуль с ов .

Цель изобретения — повышение точности.

На фиг. 1 изображена функциональ\ ная схема предлагаемого аналого-циф- 1О рового преобразователя; на фиг. 2 функциональная схема временного компаратора; на фиг. 3 — функциональная схема. блока коррекции временного интервала; на фиг. 4 — !5 функциональная схема блока управления; на фиг. 5 — временные ди° аграммы, поясняющие работу аналогоцифрового преобразователя.

Аналого-цифровой преобразователь 20 (АЦП) содержит шины 1 и 2 преобразуемого U x и опорного Uo напряжений, шины 3 и 4 соответственно синхронизации и пуска, шины 5 кода времени преобразования, шины 6 кода резуль— тата преобразования, преобразователь

7 напряжение — частота, резистивный делитель 8 напряжения, цифроаналоговый преобразователь (ЦАП) 9, ключи

10 — 12, счетчик 13 старших разрядов ЗО и счетчик 14 младших разрядов, ре гистр 15, реверсивный счетчик 16,временной компаратор 17, блок 18 коррекции временного интервала, блок 19 управления, формирователи 20 и 21 импульсов, элементы И 22 — 24, элементы ИЛИ ?5 и 26, дешифратор 27 и делитель 28 частоты.

Дешифратор 27 содержит с первого по четвертый выходы, сигналы на кото- 4g рых соответствуют следующим кодам в ступени счетчика 13: (m-! ); 0,2; N.

Временной компаратор 17 содержит триггеры 29 — 31, одновибратор 32, формирователя 33 и 34 импульсов,эле- 45 менты И 35 и 36 и элемент ИЛИ 37.

Блок 18 коррекции временного интервала содержит реверсивный счетчик

38, инвертор 39, формирователя 40 и

41 импульсов, элемент И 42 и элементы ИЛИ 43 — 45.

Блок 19 управления содержит счетчик 46 импульсов, работающий на вычитание, триггер 47, элемент 48 задержки, формирующий сигнал через некоторое время после включения питания, формирователь 49 импульсов, элемент И 50 и элемент ИЛИ 51.

На временных диаграммах обозначены: 52 — импульсы синхронизации, имеюшие частоту Г ; 53 — импульсы на выходе делителя ?8; 54 — импульсы на выходе элемента И ??; 55 — сигналы на выходе элемента ИЛИ 43; 56 — выходные импульсы компаратора 17; 57 импульс пуска АЦП в работу; 58 — сигнал "1" на выходе триггера 47; 59 импульсы на выходе элемента И 23;

60 — импульс записи результирующего кода в регистр 15.

Аналого-цифровой преобразователь (АЦП) работает следующим образом.

При включении напряжения питания элемент 48 задержки через некоторое время формирует сигнал, который устанавливает в "0" триггер 47, а его сигнал с "0" -выхода осуществляет: с помощью. ключа 1! подключение опорного напряжения U на вход преобразователя 7, с помощью элемента И 22 подачу импульсов F на счетный вход счетчика 13 с выхода преобразователя

7 (через элемент ИЛИ 25), с помощью элемента И 24 подачу пересчитанных на Я делителем 28 частоты импульсов

52 синхронизации, имеющих частоту

f., на вход формирователя 20, Еro выходные импульсы устанавливают код равный "0", в счетчике 3 (через элемент ИЛИ 26) и в счетчике 38. !

Начиная с этого импульса за время

1 = $/f выполняется проверка правильности настройки коэффициента

К = К преобразователя 7, обеспечи вающего равенство У = р путем сравнения tä с временем t„

Бр

= — -- = — — — при помощи компаратоFо ра 17.

При t Ф t „ компаратор 17 формирует сигналы на изменение на единицу кода в счетчике 16, который управляет ЦАП 9, Измененное выходное напряжение ЦАП 9, равное 1! (t; )

= U (t; 1й U, где Up — квант ЦАП, с помощью ключа 12 будет подключаться на вычитающий вход преобразователя 7 в течение длительности t его выходного импульса и тем самым изме- нять его выходную частоту. Если до подстройки то после изменения напряжения ЦАП:

144

О i 1 1!,7+ з. Ц„ С 7+kg q

1 х —-С

Таким образом, выполняется подстройка К преобразователя 7, обеспечинающая величину К = K

Процесс подстройки после включения питания и при отсустнии о начале преобразования выполняется с каждым импульсом 53, в результате чего под- . держивается равенство Р = р, согласно которому величина подстроенного коэффициента К будет равна КО =

Qf c

11р

Подстройка выполняется за время равное периоду повторения импульсон 53 с выхода делителя 28. В процессе подстройки интервал времени С формируется с помощью ступени счетчика 13 и дешифратора 27, у которого окончание выходного сигнала на выходе, соответствующего коду величиной !

N (N-1), означает что

F

О

Но из-за отсутствия синхронизации между f. и F, первый импульс Р может поступить н счетчик 13 через время С,, меньшее 1/F после начаа ла t Поэтому н этом случае необхо димо увеличить t, что реализует . блок 18, В блоке 18 (после установки в "0" счетчика 38) через элемент ИЛИ 44 задним фронтом импульса (начиная с С„) запускается формирователь 41, выходной импульс t, которого через. элемент И 42, открытый сигналом с

"0"-выхода тригrера 47, задним фронтом запускает формирователь 40. Его вь|ходной импульс t >< поступает на счетчик 38 и задним фронтом запускает через элемент ИЛИ 44 формирователь 41. Такая работа продолжается в течение времени t< действия первого импульса 55, соответствующего коду "О" в ступени счетчика 13 и сигналу на втором выходе дешифратора 27.

С появлением (в течение С„) первого импульса F в счетчике 13 устанавливается код, равный 1, а соответствующий ему сигнал не используется, в результате чего инвертор 39 запрещает в течение времени t прохождение импульсов от формирователя 40 через элемент ИЛИ 44. Накопленный за

1479 а время С, и счетчике 38 код будет pat, вен m — --, где Ст, = t i +

Pig

С приходом второго импульса F в счетчике 13 устанавливается код, равный 2, и соответствующий ему сигнал с третьего выхода дешифратора 27

10 включает в счетчике 38 режим вычитания. Этот сигнал, пройдя через элемент ИЛИ 43 (второй импульс 55) на инвертор 39, через элемент ИЛИ 44 запускает формирователь 41, а затем

15 формирователь 40, в результате чего в сче1чик 38 начнут поступать импульсы, которые будут вычитаться из кода

m (в течение времени t = — — -) до о F

2р прихода третьего импульса F,. 3a это время в счетчик 38 поступит m имО пульсов и останется код m и.

to — ш = — — — — --, при этом m с0

О 12CP tg.

25 так как С, t . Если m сО, то в старшем разряде счетчика 38 установится "1" и этот сигнал через элемент ИЛИ 45 поступит на выход бло» ка 18.

30 Код m будет храниться в счетчике 38 до окончания t т.е. пока в счетчик 13 не поступит N импульсов 7 после окончания последнего из них сигнал с четвертого выхода

35 дешифратсра 27 (третий импульс 55), соответствующий коду N в счетчике

13, вновь запускает формирователи

41 и 40, в результате чего в счетчике 38 код m „ будет увеличйваться

4р до нуля. Это произойдет через время

t> = m t » = (ш О - m, ) t, . В момент окончания времени С старший разряд счетчика 38 установится в "О", сня-тие этого сигнала на выходе блока 18

45 означает, что закончился интервал . времени С с выполненной коррекци- .

tl ей. Величина С„равна

t„ = t, +t,(N-l) +t,=

50 = t, + to(N l) + (m -m )t z

N о или

Р" / о Со

55 Когда t, = С, то величина m

= 0 и t „должен заканчиваться после прохождения N импульсов F . Для этого сигнал с первого выхода дешифратора 27, соответствующий коду

1441479 (11-1 ) н счетчике 13, подается на элемент ИЛИ 45 и по его заднему. фронту определяется окончание 1,>, Сравнение, и t, âûïîëíÿåò временной компарятор 17, Если окончание t сигнала 53; поступающего на второй вход временного компаратора

17, произойдет раньше окончания

° сигналя, поступавшего на его первый вход (это происходит при более низкой частоте преобразователя 7 по сравнению с F, т. е. при К К ), то триггеры 29 — 31 будут находиться н состоянии "0", тяк они были установлены в предыдущем такте настройки, в результате чего через элементы И 35 и ИЛИ 37 на второй выход временного компараторя 17 пройдет сигнал 53, я ня первый выход — сигнал

"0" с выходя триггера 31, Эти сигна лы в счетчике 16 уменьшат код на единицу, что изменит выходной сигнал

ЦАП 9, равный ii„(t,+, ) —— Uк(t;)+ПА, который в преобразователе 7 увеличит коэффициент К и его выходную частоту. Благодаря этому в следующем такте настройки интервал времени 1 я будет уменьшен.

Если окончание t происходит до окончания t,, то преобразователь 7 с имеет более высокую частоту, чем У т.е. К ? К, н результате чего по заднему фроиту сигнала (временного интервала t„) устанавливается в "1" триггер ЗО и последовательно запускаются формирователи 34 и 33, устанавливающие в "1" триггеры 29 и 31.Окончание t, принодит к прохождению сигнала 53 через. элементы И 36 и ИЛИ 37 на второй выход временного компаратора 17, я ня его первом выходе сигнал будет отсутствовать, так как триггер

31 находится в "1". В счетчике 16 код будет увеличен на единицу, в результате чего изменится выходной сигнал

ЦАП 9, рявныи U„(" +, ) = U<(t )+11 который уменьшит К преобразователя 7 и его выходную частоту, а это означает, что t,„ в следующем такте подстройки будет увеличено.

Процесс подстройки К преобразователя 7 будет выполняться до тех пор, пока окончание +, не будет происхо с дить и течение интервала времени 1т, когда действуют импульсы формирователей 34 и 33 (t = 2t ) и триггер

30 установлен н "1", а триггер 29

К=КUт о х2. ц

11х iJx

=- — -Рq

Uà т1,„ где iJ — квант АЦП, зависящий от величийы q (при q = 1 — п,„U > изменяется от 11 !Р до 1! !Рс1 еще находится в "О". В этом случае импульс 53 через элементы И 35 и 36 не пройдет, т,е. код в счетчике 16 не изменяется, так кяк К = К„и F

pf

Каждый такт подстройки К заканчивается установкой в "О" триггеров

29 — 31 с помощью однонибратора 32 и

10 О" установкой кода равного "О" в счетчике 13 импульсом с формирователя 20 через элемент ИЛИ 26.

Подстройка К выполняется после окончания очередного импульса 53, ес15 ли нет сигнала 57 начала преобразования, и после окончания очередного преобразования. Сигнал 57 приходит синхронно с импульсом 53. Когда заканчивается подстройка К, он устанавли20 нает в "О" счетчик 14 и регистр 15, в "1" триггер 47 и записывает код q с кодовых входов н счетчик 46, Величина q определяет время выполнения преобразования, равное Т

q/Ã, которое формируется счетчиком 46, работающим на вычитание и имеющем входные импульсы 52, проходящие через элемент И 50, открытый сигналом 58, т,е. сигналом "1" на выхо30 де триггера 47, Этот же сигнал подключает с помощью ключа 10 входное напряжение Ц„, прошедщее через резистинный делитель Я, на суммирующий вход преобразователя 7, в результате

15 чего выходные импульсы 59 частоты

Гх проходят через элемент И 23, открытый сигналом 58, на счетный вход счетчика 14. Преобразование заканчивается по коду "О" в счетчике 46,ко40 торый снимает сигнал с выхода элемента ИЛИ 51 и устанавливает "О" в триггере 47, По заднему фронту сигнала

58 запускается формировать 49, сигнал 60 которого записывает в регистр

45 15 код счетчика 13 и через формирователь 21 и элемент ИЛИ 26 устанавливает в последнем и в счетчике 38 коды, равные "О". Начинается очередной такт подстройки К преобразователем о

7, а на шинах 6 находится код результата преобразования:

41479. третий ключ соединен с нычитающим

7 14

11 о — последняя величина rîîò11о ветствует наименьшему кванту при наивысшей разрешающей способности, равной 1/N ) .

При преобразовании максимального входного сигналя П„ = П с разрешяютчей спосОбностью 1!11 будет полу о чен результат Х = 1 1„поэтому общая емкость счетчиков 13 и 14 должна быть не менее этой величины, Результат преобразования Х не со1держит составляющи. т погрешностей от К и K и 7, и Т, имеющих место в прототипе, что повышает точность предлагаемого АПП.

Формула и з о б р е т ения

1. Аналого-цифровой преобразователь с промежуточным преобразованием в частоту, содержтщий делитель напряжения, вход которого является шиной преобразуемого напряжения, а выход соединен с информационным входом первого ключа, выход которого объединен с выходом второго ключа и. соединен с суммирующим входом преобразователя напряжение — частота, цифроаналоговый преобразователь, вход опорного напряжения которого является шиной опорного напряжения, первый и второй эл :менты 11> первые входы которых соединены соответственно с первым и вторым управляющими выходами блока управления, счетчик импульсов, состоящий из счетчика младших и счетчика старших разрядов, выход первого элемента И соединен со счетным входом счетчика младших разрядов, выход второго элемента И соединен с первьтМ входом первого элемента ИЛИ, второй вход которого соединен с выходом переполнения счетчика младших разрядов, информяциойные выходы которого являются соответствующими первыми выходными шинами, выход первого элемента ИЛИ соединен со счетным входом счетчика старших разрядов, регистр, информационные входи которого поразрядно соединены с выходами счетчика старших разрядов, второй элемент ИЛИ, о т л и ч я ю шийся тем, что, с целью повышения точности, в него введены делитель частоты, третий элемент И, третий ключ, первый и второй формирователи импульсов, pesepсивный счетчик..импульсов, временной

40 компяратор, блок коррекции временного интервала, дешифратор, вход первого формирователя импульсов соединен с выходом третьего элемента И,выход соединен с первым входом нторого элемента ИЛИ, второй вход которого через нторой формирователь имттульсон объединен с входом записи регистра и соединен с третьим учравляющим выходом блока упранления, выходы регистра являются вторыми выходными шинами, выход второго элемента ИЛИ соединены с входом установки в "0" счетчика старших разрядов и с входом установки в исходное состояние блока коррекции временного интервала, уп-. равляющий нход которого объединен с управляющим входом второго ключа, первым входом третьего элемента И и соединен с вторым управляющим выходом блока управления, второй вход третье-. го элемента И объединен с первым входом временного компарятора и через делитель частоты соединен с входом синхронизации блока управления, вход синхронизации блока управления является шиной синхронизации, нход Пуск" блока управления объединен с входами установки в "0" счетчика младших разрядов и регистра и является шиной

"Пуск", кодовые входы блока управления являются, соответственно шинами . кода времени преобразования, первый управляющий выход блока управления соединен с управляющим входом первого ключа, информационные входы цифроаналогового преобразователя поразрядно соединены с выходами реверсивного счетчика импульсов, а выход через. входом преобразователя напряжения в частоту, выход которого соединен с вторыми входами первого и второго элементов И и управляющим входом третьего ключа, первьгй и второй выходы временного компаратора соединены соответственно с входом управления режимом вычитания и со счетным входом реверсивного счетчика импульсов, второй вход временного компаратора соединен с выходом блока коррекции временного интервала, первый, второй, третий и четвертый импульсные входы которого соединены с соответствующими выходами дешифратора, входы которого соединены с соответствующими выходами счетчика старших разрядов, информационный вход второго клю144

25

9 ча является шиной опорного напряжения.

2. Преобразователь по и.1, о тл и ч а ю шийся тем, что временной компаратор выполнен на трех триггерах, одновибраторе, двух формирователях импульсов, двух элементах И, элементе ИЛИ, выход которого является вторым выходом временного компаратора, первый и второй входы элемента

ИЛИ соединены соответственно, с выхо дами первого и второго элементов И; первые входы которых объединены и являются первым входом временного компаратора, вторые входы первого и второго элементов И соединены,соответственно, с прямым и инверсным выходами первого триггера, третьи входы первого и второго элементов И соединены соответственно с прямым и инверсным выходами второго триггера, входы установки в "О" первого, второго и третьего триггеров объединены и соединены с выходом одновибратора, вход которого объединен с входом установки в "1" первого триггера и через первый формирователь импульсов соединен с выходом второго формирователя импульсов и входом установки в

"1" третьего триггера, прямой выход которого является первым выходом временного компаратора, вторым входом которого является вход установки в

1 второго триггера и вход второго формирователя импульсов, 3. Преобразователь по п,1, о т— личающий ся тем, что блок корр екции вр еменного интервала выполнен на реверсивном счетчике импульсов, двух формирователях импульсов, инверторе, трех элементах ИЛИ, элементе И, первый вход которого является управляющим входом блока, выход и вход установки в исходное состояние которого являются, соответственно выходом первого элемента ИЛИ и входом установки в "О" реверсивного счетчика импульсов, объединенным с первым входом второго элемента ИЛИ, первый импульсный вход блока являет"

1479 1О ся первым входом первого элемента

ИЛИ, второй, третий и четвертый импульсные входы блока являются соответственно первым, вторым и третьим входами третьего элемента ИЛИ, вто.рой вход которого объединен с входом управления режимом вычитания реверсивного счетчика импульсов, а выход через инвертор соединен с вторым входом второго элемента ИЛИ, третий вход которого объединен со счетным входом реверсивного счетчика импульсов и через первый формирователь импульсов соединен с выходом элемента

И, второй вход которого через второй формирователь импульсов соединен с выходом второго элемента ИЛИ, выход старшего разряда реверсивного счетчика импульсов соединен с вторым входом первого элемента ИЛИ.

4. Преобразователь по п.1, о т— л и ч а ю шийся тем, что блок управления выполнен на счетчике импульсов, триггере, элементе задержки, формирователе импульсов, элементе И и элементе ИЛИ, входы которого соединены с соответствующими выходами счетчика импульсов, а выход — с входом установки в "О" триггера,прямой выход которого является вторым управляющим выходом блока, первым управляющим выходом которого является реверсивный выход триггера, соединенный с первым входом элемента И и входом формирователя импульсов, выход которого является третьим управляющим выходом блока, кодовые входы которого являются соответствующими информационными входами счетчика импульсов, вход записи кода которого объединен с входом установки в "1" триггера и является входом Пуск" блока, вход синхронизации которого является вторым входом элемента И, выход которого соединен со счетным входом счетчика импульсов, вход устанонки в начальное состояние триггера соединен с выходом элемента задержки, вход которого является шиной .питания, 1441479

Вх У/7Р

1441479

° ° ° ° ° ° е

° е ° е

° ° ° °

Составитель А, Титов

Техред Я,Дидык

Редактор A.Ðåâèí

Корректор В.Бутяга

Заказ 6295/56

Тираж 929 П од и и с н О р.

Б11Ж1ПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

)13035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Произв< л;. в и >-полиграфическое предприятие, г. Ужгород, ул. 11р «ктная, 4