Логарифмический аналого-цифровой преобразователь

 

Изобретение касается преобразования информации из аналоговой формы в цифровую и может быть использовано в измерительной, преобразовательной и вычислительной технике, а также в системах автоматического управления. Цель изобретения - повышение точности преобразования. Логарифмический аналого-цифровой преобразователь (АЦП) содержит источник опорного напряжения, два коммутатора, генератор экспоненциального напряжения (ГЭН) с входом регулировки постоянной времени экспоненты, аналоговый и цифровой компараторы, два Д - триггера, элемент И, одновибратор, два счетчика, регистр, блок синхронизации, генератор опорных импульсов, цифроаналоговый преобразователь (ЦАП) и интегратор. Логарифмический АЦП работает на основе сравнения экспоненциального напряжения ГЭН с двумя опорными и измеряемым напряжениями и формирования параллельно измерительного и калибровочного интервалов с помощью Д - триггеров, которые преобразуются в цифровой код первым и вторым счетчиками. Код калибровочного интервала сравнивается с цифровой константой и по результатам сравнения с помощью ЦАП и интегратора вырабатывается напряжение регулировки постоянной времени экспоненты ГЭН. 2 ил.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ.

COllHAËÈÑTÈ×ЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (au 4 С 06 С 7/24

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Н А ВТОРСНОМ,Ф СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР (21) 4182076/24-24 (22) 16.01.87 (46) 23. 05. 89. Бюл. У 19 (72) О. B . .Покидышев, А.Д. Самойленко, В.Я. Рекутин и В.П. Глушковский (53) 681.3(088.8) (56) Авторское свидетельство СССР

У 840948, кл. С 06 G I/24, 1981.

Авторское свидетельство СССР

Ф 723602, кл. G 06 G 7/24, 1977.

I (54) ЛОГАРИФМИЧЕСКИЙ АНАЛОГО-ЦИФРОВОЙ

ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ (57) Изобретение касается преобразования информации из аналоговой формы в цифровую и может быть использована в измерительной, преобразовательной и вычислительной технике, а также в системах автоматического управления.

Цель изобретения — повышение точности преобразования. Логарифмический аналого-цифровой преобразователь (АЦП) содержит источник опорного наИзобретение относится к устройствам преобразования аналоговой формы информации в цифровую и может быть использовано в автоматике, измерительной, преобразовательной и вьг числительной технике, а также в системах управления.

Цель изобретения — повышение точности.

На фиг. 1 представлена функциональная схема. логарифмического аналогоцифрового преобразователя; на фиг.2временные диаграммы его работы.

„.SU» 14 1 3 А1

2 пряжения, два коммутатора, генератор экспоненциального напряжения (ГЭН) с входом регулировки постоянной времени экспоненты, аналоговый и цифровой компараторы, два D-триггера, элемент И, одновибратор, два счетчика, регистр, блок синхронизации, генератор опорных импульсов, цифроаналоговый преобразователь (ЦАП) и интегратор. Логарифмический АЦП работает на основе сравнения экспоненциального напряжения ГЗН с двумя опорными и измеряемым напряжениями и формирования параллельно измерительного и калибровочного интервалов с помощью Dтриггеров, которые преобразуются в цифровой код первым и вторым счетчиками. Код калибровочного интервала сравнивается с цифровой константой и по результатам сравнения с помощью

ЦАП и интегратора вырабатывается напряжение регулировки постоянной времени экспоненты ГЗН. 2 ил.

Логарифмический аналого-цифровой преобразователь (ЛАЦП) содержит источник 1 опорных напряжений, первый коммутатор 2, генератор 3 экспоненциального напряжения (ГЭН) с регулируемой постоянной времени экспоненты, первый 4 и второй 5 счетчики, аналоговый компаратор 6; элемент И 7, од.новибратор 8, два D-триггера 9 и 10, блок 11 синхронизации, регистр 12, цифровой компаратор 13, двухразрядный цифроаналоговый преобразователь (ЦАП) 14, интегратор 15, генератор

1803

35 вен

55 з 148

16 опорных импульсов, второй коммутатор 17, аналоговый вход 18, цифровой вход 19 задания начального кода цепи регулирования постоянной времени экспоненты и цифровой выход 20 устройства.

ЛЛЦП работает следующим образом.

На аналоговый,вход 18 устройства поступает измеряемое напряжение U на цифровой вход 19 — постоянный код N „ . По импульсу запуска 29 от блока 11 синхронизации генератор 3 экспоненциального напряжения заряжается до своего максимального напряжения U

По окончании этого импульса с момента Т начинается формирование экспоненциального напряжения 31. Импульсом 30 осуществляется .сброс счетчиков 4 и 5 и предустановка D-триггеров: триггер 9 устанавливается н

"0", а триггер 1 ) — н "1", если они находились н других состояниях (сразу после включения питания) °

За счет нулевого кода на управляющих входах первого 2 и второго

17 коммутаторов включаются их первые каналы, так что на выход первого коммутатора 2 поступает первое опорное напряжение U < с его первого входа (фиг, 2, диаграмма 32) . Это напряжение и зкспоненциальноспадающее напряжение с ГЭН 3 подаются на входы компаратора 6 и сравниваются в нем.

Пока Uð„ áoëüøå напряжения ГЭН 3 на выходе аналогового компаратора 6 присутствует "0" (диаграмма 33), В этом состоянии на информационном входе триггера 9 действует "Лог. 1" с выхода второго коммутатора 17, а на информационном входе триггера 10 присутствует "Лог. О" с выхода старшего разряда калибровочного счетчика 4 (диаграмма 34), В момент ТЗ экспоненциальное напряжение становится меньше опорного

Uù, и на выходе аналогового компаратора 6 формируется положительный перепад, который, поступая через элемент И 7 на тактовые входы триггеров

9 и 10, приводит к их опрокидыванию в соответствии с сигналами на их информационных входах. Необходимо учесть, что на втором входе элемента

И 7 все это время находится "Лог.1" (фиг. 2, диаграмма 38), поскольку одновибратор 8 имеет инверсный выход.

Таким образом, на прямом выходе перного триггера 9 формируется передний фронт измерительного временного-ин— тернала Ти 37, а на инверсном выходе второго триггера 10 — калибровочного интервала Т„ 35. Оба счетчика 4 и 5 по сигналам разрешения счета с триггеров 9 и 10 начинают считать импульсы опорной частоты с генератора

16.

Сигнал "Лог. 1" с инверсного выхода триггера 10 воздействует на нходы управления младшего разряда коммутаторов 2 и 17 и переключает их на вторые каналы, в результате чего на второй вход аналогового компаратора 6 поступает измеряемое напряжение U а на информационный вход D-триггера

9 — сигнал "Лог. 0". Поскольку U „ (< Б <, то в .момент Т> аналбговый компаратор 6 возвращается в "0".

В момент Т экспоненциальное напряжение 3 1 становится меньше измеряемого и компаратор б,вырабатывает второй положительный перепад, который приводит к опрокидыванию в исходное нулевое состояние триггера 9 в соответствии с сигналом на его информационном входе ° Формирование измерительного интервала заканчивается.

Длительность измерительного интервала Т> равна: Т > = Т вЂ” Т =

= с 1п — -, где с — постоянная вреJl мени экспоненциального напряжения

ГЭН 3. Выходной код счетчика 5 раN = f ь 1n - -.

U (1) н .о< Э ц„

Второй триггер 10 в момент времени Т остается в состоянии "0" по5 скольку на его информационном входе действует "Лог. 0", начиная с момента Т, до момента Тб. В момент времени Тб на выходе старшего разряда счетчика 4 появляется "Лог. 1", Это приводит к переключению коммутаторов 2 и 17 на третьи каналы и подключению к второму входу компаратора

6 второго опорного напряжения U (U „ < U ). Выходной сигнал компаратора устанавливается в "0". Таким образом, схема ЛАЦП подготавливается к фиксации окончания калибровочного интервала.

Рассмотренный интервал времени Т Т, в котором изменяется напряжение

ГЭН 3, определяет диапазон измерений! 481803

D> âõîäHîãî напряжения, который связан с разрядностью п счетчиков 4 и 5 и разрешающей способностью ЬЛАЦП следующим образом

2 и-1 и

В момент Т7 экспоненциальное напряжение ГЭН 3 становится меньше второго опорного напряжения U, при этом на компараторе 6 формируется положительный перепад, который приводит к опрокидыванию второго триггера

10 (так как сигнал на его информационном входе изменился в момент

T ). Формирование калибровочного интервала Т„ заканчивается

Т =Т вЂ” Т = ln —— л Цое к 7 э . ц

0 на счетчике 4 устанавливается код

N = 2 „ ln ---, (2)

Пог. который сравнивается на цифровом компараторе 13 с постоянным начальHbN кодом N ко .

С момента Т до Т8 происходит установление на выходах "Больше"- и

"меньше" цифрового компаратора 13 результата сравнения кодов. В момент

Т> импульсом 28 с выхода блока 11 синхронизации производится запись информации в регистр 12 и двухразрядиый ЦАП 14. В регистре 12 фиксируется код N> измеряемого напряжения, т.е. происходит обновление результата преобразования. В двухразрядном

ЦАП 14 запоминается результат сравнения кодов, который сохраняется в нем в течение одного периода преобразования.

Аналоговое двухполярное напряжение с выхода ЦАП 14, имеющее следую= щую релейную характеристику

-Е„, если Ик ) Мко;

О, если Мк = Ико, -+Е„, если Мк Х„„, поступает на интегратор 15 и да-. лее с выхода интегратора 15 на вход управления постоянной времени экспоненциального напряжения ГЭН 3.

Постоянную времени интегратора

15 с учетом величины F.„ âûáèðàþò такой, чтобы за время спадающего участка экспоненциального напряжения изменение выходного напряжения интегратора 15 не превышало величины, эквивалентной 0,5 единицы счета кода Ы,.

Таким образом, с помощью рассмотренной цепи рerулировки код счетчика (3) N

5 с погрешностью, не превышающей единицы счета, поскольку сравнение осуществляется в цифровой форме цифровым компаратором 13. Из (1)-(3) находят

20 lg — —.

oo

Uit

N ко U0

20 lg ——

02 (4) N

DK 20 lg -2L (5) Uo и требуемой разрешающей способностьюД

1 к

N ко

55 откуда видно, что выходной код ЛАЦП пропорционален логарифму отношения измеряемого и опорного напряжений, При увеличении (во время переходных процессов при включении питания) калибровочный интервал ограничен сверху значением (Т -Т ) импульсом 30 предустановки триггеров 9 и

10. При черезмерном уменьшении С ниже минимально допустимой величины

25 (этот случай отмечен на диаграмме 31 пунктиром) третий положительный перепад на выходе компаратора 6 отсутствует (пунктир на диаграмме 33), поэтому калибровочный интервал Т„ ограничивается снизу отрицательным импульсом 38 с выхода одновибратора

8 через элемент И 7 с тем, чтобы исключить инверсию знака обратной связи по цепи регулировки С

Оперативная проверка работоспособности ЛАЦП осуществляется путем снятия входного напряжения.

Как видно из временных диаграмм

3t и 32, положительный перепад в мо40 мент времени Т при этом отсутствует, а выходное напряжение компаратора 6 (диаграмма 33 ) равно нулю вплоть до момента Т7, т.е. первый триггер 9 срабатывает одновременно с

45 вторым 10 в момент Т7 и измерительный интервал становится равным калибровочному Тя = T„. При этом выходной код ЛАЦП М„ = N что и является критерием работоспособности всего ЛАЦП.

При выборе параметров ЛАЦП следУ" ет учесть, что величина кода К1ц, оп. ределяется диапазоном опорных напряжений l 481803 а постоянная времени экспоненты связана с опорной частотой соотношением (2), которое с учетом (5) и (6) дает

201яе

5 он

Величина v > определяет быстродействие преобразователя.

Практически при величине опорной 10 частоты в несколько мегагерц и требуемой разрешающей способности, например, Ь 0,01 дБ достижимы быстродействие в доли миллисекунды и погрешность, не превышающая сотых долей децибела.

Таким образом, в ЛАЦП введением цепи автоматической регулировки постоянной времени экспоненты ГЭН 3 повышена точность преобразования за счет уменьшения медленно меняющихся составляющих погрешности, обусловленных уходом параметров ГЭН 3 и других элементов ЛАЦП.

Формула изобретения

Логарифмический аналого-цифровой преобразователь, содержащий источник опорных напряжений, интегратор, аналоговый компаратор, одновибратор, первый и второй триггеры, элемент И, первый и второй счетчики и генератор опорных импульсов, о т л и ч а ю— шийся тем, что, с целью ловы- 35 шения точности преобразования, в нем первый и второй триггеры выполнены в виде D-триггеров и введены первый и второй коммутаторы, генератор экспоненциального напряжения, цифровой .40 компаратор, регистр, цифроаналоговый преобразователь и блок синхронизации, вход которого объединен со счетными входами первого и второго счетчиков и подключен к выходу генератора 45 опорных импульсов, первый выход блока синхронизации соединен с входами установки в "0" первого D-триггера, первого и второго счетчиков и с входом установки в "1" второго D-триггера, второй выход блока синхронизации соединен с входом запуска генератора экспоненциального напряжения, выход которого соединен с первым входом аналогового компаратора, второй вход которого подключен к выходу пер" вого коммутатора, первый информационный вход которого соединен с первым выходом источника опорных напряжений, второй и третий информационные входы первого коммутатора соединены соответственно с аналоговым входом логарифмического аналого-цифрового преобразователя и вторым выходом источника опорных напряжений, выход аналогового компаратора соединен с первым входом элемента И, второй вход которого подключен к инверсному выходу одновибратора, выход элемента И соединен с тактовыми входами первого и второго D-триггеров, информационный вход первого D-триггера соединен с выходом второго коммутатора, первый информационный вход которого подключен к шине логической

"1", второй и третий информационные входы второго коммутатора соединены с шиной логического "Т, прямой вьтход первого D-триггера соединен с входом разрешения счета первого счетчика, выходы разрядов которого соединены с информационными входами регистра, выходы разрядов которого являются цифровым выходом устройства, инверсный выход второго Р-триггера соединен одновременно с первыми управляющими входами первого.и второго коммутаторов и с входом разрешения счета второго счетчика, разрядный выход которого соединен с первым входом цифрового компаратора, второй вход которого соединен с входом задания калибровочного интервала логарифмического аналого-цифрового преобразователя, выход цифрового компаратора соединен с информационным входом цифроаналогового преобразователя, вход синхронизации которого объединен с входом записи регистра и подключен к третьему выходу блока синхронизации, выход цифроаналогового преобразователя соединен с информационным входом интегратора, выход которого подключен к входу управления постоянной времени генератора экспоненциального напряжения, выход старшего разряда второго счетчика соединен с информационным входом второго D-триггера, с вторыми управляющими входами первого и второго коммутаторов и с входом запуска одновибратора..

1481803

Уи