Частотный аналого-цифровой преобразователь

 

Изобретение относится к импульсной технике, в частности к преобразователям напряжения в цифровой код с промежуточным преобразованием в частоту импульсов. В устройство, содержащее аналоговый переключатель 5, преобразователь 6 напряжения в частоту импульсов, два элемента И 18 и 19, два элемента ИЛИ 23 и 24, два триггера 11 и 12, два одновибратора 15 и 16, первый реверсивный счетчик 8 импульсов, счетчик 7 импульсов и генератор 10 импульсов, с целью повышения точности введены второй реверсивный счетчик 9 импульсов, три элемента И 20 - 22, три элемента 25,26,27, два триггера 13 и 14 и инвертор 17. 2 ил.

СОЮЗ СОВЕТСНИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСНИХ

РЕСПУБЛИН сю 4 Н 03 М !/58

) ° (ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К ABTOPCHOMV СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУЯАРСТВЕННЫй НОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТНРЫТИЯМ

ПРИ ГННТ СССР

1 (21) 4344447/24-24 (22) 15. 12.87 (46) 23 ° 08.89. Бюл. М 3 1 (7 1) Всесоюзный научно-исследовательский институт электромеханики (72) Л.М.Лукьянов и А.П.Телепин (53) 681.325(088.8) (56) Балакай В.Г., Крюк И.П., Лукьянов Л;М. Интегральные схемы АЦП-ЦАП.—

М.: Энергия, 1978.

Авторское свидетельство СССР

В 486473, кл. Н 03 К 13/20, 1973. (54) ЧАСТОТНЫЙ АНАЛОГО-ЦИФРОВОЙ

ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ (57) Изобретение относится к импульсной технике, в частности к преобра- .Я0„» 1503071 А1

2 зонателям напряжения в цифровой код с промежуточным преобразованием в частоту импульсов. В устройство, содержащее аналоговый переключатель 5, преобразователь 6 напряжения в частоту импульсов, два элемента И 18 и 19, два элемента ИЛИ 23 и 24, два триггера 11 и 12, два одновибратора 15 и 16, первый реверсивный счетчик 8 импульсов, счетчик 7 импульсов и генератор 10 импульсов, с целью повышения точности введены второй реверсивный счетчик 9 импульсов, три элемента И 20-22, три элемента

ИЛИ 25, 26, 27, два триггера 13 и 14 и инвертор 17. 2 ил.

3 1503071

Изобретение относится к импульсной технике, в частности к преобразователям напряжения в цифровой код с промежуточным преобразованием в час5 тоту импульсов.

Целью изобретения является повышение точности, На фиг.1 изображена блок-схема аналого-цифрового преобразователя на фиг.2 — временная диаграмма его работы.

Аналого-цифровой преобразователь (АЦП) содержит входные шины 1-3 для преобразуемого опорного напряжения

U и для сигнала пуска соответственно, выходные шины 4, аналоговый переключатель 5, преобразователь 6 напряжения в частоту импульсов (ПНЧ), счетчик 7 импульсов, реверсивные 20 счетчики 8 и 9, генератор 10 импульсов, триггеры 11 — 14, одновибраторы

15 и 16 иннертор 17, элементы И 1822, элементы ИЛИ 23-27 °

На временной диаграмме фиг.2 обо- 25 эначены импульсы 28 на вьгходе ПНЧ 6, сигнал 29 пуска, сигналы 30-33 — на прямых выходах соответственно триггеров 11-14, импульс 34 на выходе элемента И 21, сигнал 35 на выходе 30 элемента ИЛИ 25, сигнал 36 на выходе инвертора 17, сигнал 37 на ныходе элемента ИЛИ 26, сигнал 38 на выходе эл мента И."Ч 23.

АЦП работает следующим образом.

После включения питания и установки одновибратором 15 в исходное состоя1ие триггеров 11-14 и счетчиков 7 и 8 вьгполняет я однократное преобразование, по окончании которого все 4р триггеры вновь устанавливаются в исходное состояние и с помощью переключателя 5 опорное напряжение U подключается на вход ПНЧ 6. его выходные импульсы 28 проходят через элемент

ИЛИ 24 и запускают одновибратор 16, который сигналом с инверсного выхода устанавливает в исходное состояние счетчик 9. Сигнал с инверсного выхода триггера 11 поступает через элемент

ИЛИ 27 на вход элемента И 20, поэто50 му импульсы генератора 10 проходят через последний на счетный вход счетчика 9, где они вычитаются, так как этот же сигнал, проходя через элемент ИЛИ 25 (сигнал 35), включает

55 в нем режим нычитания. Вычитание импульсов генератора 10 продолжается до появления очередного импульса по которому счетчик вновь устанавливается в исходное состояние. Такой процесс продолжается до поступления сигнала 29, который запускает одновибратор 15, устанавливающий н исходное состояние счетчики 7 и 8, а также в " 1" триггеры 11 и 12. Сигнал 31 с прямого выхода триггера 12 подключает с помощью переключателя 5 на вход ПНЧ 6 преобразуемый сигнал U„, а сигнал 30 с прямого ныхода триггера 11 разрешает прохождение через элемент И 18 импульсов F îò ПНЧ 6 на вход счетчика 8 ° Сигнал 30 поступает также на вход элемента ИЛИ 24 и запрещает запуск импульсами 28 одновибратора 16. Снятие сигнала с инверсного выхода триггера 11 и далее с выхода элемента ИЛИ 27 запрещает прохождение импульсов генератора 10 через элемент И 20. Поэтому в счетчике 9 фиксируется код п, который соответствует числу импульсов, поступивших н него за время t от последнего импульса F 28 до импульса

29 (t, = п /<).

Сигнал с выхода элемента ИЛИ 27 проходит через инвертор 17 (сигнал

36) и разрешает работу элемента И 18, через который импульсы генератора 10 поступают на счетный вход счетчика 7, где они подсчитываются до его переполнения, и по этому сигналу устанавпиваются в "0" триггер 12 и в " 1" триггер 13. Таким образом формируется временной интервал To = гп11 /Г„ (сигнал 31), в течение которого сигнал Uz преобразуется в F„ ° Сигнал 32 с прямого выхода триггера 13 проходит через элемент ИЛИ 27 и разрешает прохождение через элемент И 20 на счетчик 9 импульсов от генератора 10.

Этот же сигнал, проходя через элемент И 22, открытый сигналом с инверсного выхода триггера 14, и далее через элемент ИЛИ 25 (сигнал 35), вновь включает режим вычитания в счетчике 9.

Сигнал с выхода элемента И 22 разрешает работу элемента ИЛИ 21, через который проходит первый импульс 34

F с выхода ПНЧ 6, сформированный после окончания Т в результате прео образования оставшегося заряда от

П„ и от П в течение t . Длительность С равна временному интервалу от отрицательного перепада сигнала

31 до импульса 34. 3а время tz в

5 150307 счетчике 9 дополнительно вычитается п импульсов (tz = и, /f ) и формируется код (n, + n ).

По импульсу 34 заканчивается первый такт преобразования, который выполнялся в течение времени Т, = t +

+ Т, + 1 . 3a время Т, сформировано в течение То N импульсов, а затем еще один импульс после окончания Т о т.е. (N„+ 1) импульсов, которые подсчитаны счетчиком 8.

Длительность Т соответствует це< лому числу импульсов (N< + 1) от

ПНЧ 6, поэтому погрешность от квантования при заряде интегрирующего конденсатора ПНЧ 6 в начале и конце

Т компенсируется зарядом от Ц за время (t + t ) ° В течение Т (N< + 1) зарядов q скомпенсированы зарядом 2п от U çà Т и зарядом от Б за (t< + tz): (N, + 1)q = kU„T + kU, х

x(t, +t).

Второй такт Т начинается по имz пУльсУ Fp 34, что исключает погРеш- 25 ность квантования в формировании Т длительность которого составляет (N< + 1) импульсов Г . Во втором такте (N, + 1) зарядов q компенсируется в течение Тг зарядом от U: (М < + 1) q = 30

= kUpТг. Формирование Тг выполняется с помощью счетчика 8. Сигнал 33 с прямого выхода триггера 14 в счетчике 8 включает вычитание и полученный в первом такте код (N + 1) уменьша< 35 ется до нуля с приходом импульсов F от ПНЧ 6. Выходной сигнал элемента

ИЛИ 23 в момент получения нулевого кода отрицательным перепадом устанавливает в "0 триггеры 11 и 14, что 40 соответствует окончанию Т и процесса преобразования. Величина Т не соответствует результату преобразования

Ur, так как в Т, ПНЧ 6, кроме преобразования Ur, эа Т выполняет еще и о преобразование Up в течение (t< + t ).

Поэтому при преобразовании Тг в код

N последний уменьшается на (и, + n ), что соответствует уменьшению Т на (t< + tz) т.е. Т„ = Т вЂ” (t + t ), и получению точного результата Х путем преобразования Т в код. Это .реализуется при помощи счетчика 9, в котором эа t„ и t накоплен код (n„ + n ). Так как сигнал с инверсного выхода триггера 14 с начала Т

55 снимается, то отсутствует сигнал на выходе элементов И 22 и ИЛИ 25 и импульсы от генератора 10, поступающие

1 6 в счетчик 9, увеличивают этот код до нуля. После поступления (n< + n ) г импульсов fp в счетчике 9 устанавливается нулевой код, что соответствует окончанию интервала времени (t< +

+ tz) и вычитанию этого времени иэ

Тг, и началу Т„. В момент образования нулевого кода в счетчике 9 элемент

ИЛИ 26 отрицательным перепадом сигнала 37 устанавливает в "0" триггер

13, у которого снятие с прямого выхода сигнала 32 запрещает прохождение через элемент И 20 импульсов на счетчик 9 и разрешает сигналом 36 с выхода инвертора 17 прохождение этих импульсов через элемент И 19 на вход счетчика 7. В этом счетчике за время Т„ получают результат преобразования Х = T„f . Получение Х и оконо чание преобразования происходит по отрицательному перепаду сигнала 38.

Процесс преобразования в АЦП можно описать следующим образом. Из выражений компенсации зарядов в ПНЧ 6 для Т, и Тг определяется величина Т

kUrTо kUp(t < tz) kUpTz откуда Т = (t + t ) +-- Т

Ur о

В результате преобразования Tz

B код 11г имеем: Nz = Т, fo = (t< +

Ui

+ t ) f + -- Т f, уменьшение N на о (п < + n, ) дает результат преобразования Х . С учетом, что Т„= М /f,, = п„/fp г = и /Го величина Х равна Хо = Nz — (n, + n )

Ur и<+ nz

N m + — — — -- f — (п + n )

11 о р (<,)

U U Uo

Ц о

N,m = --", где 4 = -- — — квант о ш

АЦП.

В АЦП получают результат преобразования Хр с квантом по напряжению

4 что позволяет увеличить точm ность работы АЦП.

Этот вывод сделан на основе приведенных выражений. Но в них не уч" тены погрешности квантования, обусловленные конечной величиной временного кванта 1/f при преобразовании и T в кОды и и, и К а также при формировании Т

С учетом максимальных величин этих погрешностей имеют место следующие соотношения:

1503071

1) 1/f или и< t f +1, 1 ) 1/Г или ng — tg f o — 1 °

1/ « или И Т УО 1 и

1/fО эти значения в уравнеания получаем значение преобразования (n< + (n, +

Т s (N1+ 1)

To = (Nmo

Подставляя ния преобразов

Х результата

Т (t, +t)+ (Nm 1) 3 10

Ux 1

2 П о fo Э

Na (t, + t<)fo + — (Н ш-1) — 1 9

U)

Ь

Х, N, (t fo +1+ t.2fî 1)

U l5

= - (N m — 1) + 2.

Uo О

При преобразовании максимального входного сигнала U = Uo в результате преобразования Х (П ) может возникнуть наибольшая погрешность

Xp(U.) - (Nom — 1) «+ 2 = N.m

По сравнению с точным результатом

X (U„ ) N m u X (U„ ) может иметь место погрешность, достигающая трех квантов, что по напряжению соответствует величине 3 За„„.

Поэтому точность работы предлагаемого АЦП по сравнению с известным увеличивается меньше чем в ш раз.

Учитывая, что погрешность известного

3„ 2Д = 2шй„„а 3 Зд, то погреш2m ность 3 уменьшается в Ы вЂ” раз к 3

35 во столько раз увеличивается точность работы АЦП.

Таким образом, в предлагаемом АЦП при условии сохранения параметров известного (в части Т> и Г ) по сравнению с ним в < раэ повышена точность работы.

Формула и з о б р е т е н и я

Частотный аналогоцифровой преоб45 разователь, содержащий аналоговый переключач ель, первый и второй информационные входы которого являются соответственно шинами преобразуемого и опорного напряжения, а выход соединен с входом преобразователя напряжения в частоту импульсов, выход которого соединен с первым входом первого элемента И, выход которого соединен со счетным входом первого реверсивного счетчика импульсов, выходы разрядов которого соединены с входами первого элемента ИЛИ, выход которого соединен с R-входом первого триггера, прямой выход которого соединен с вторым входом первого элемента И, а S-вход объединен с S-входом второго триггера и подключен к прямому выходу первого одновибратора, вход которого является шиной пуска, а инверсный выход подключен к входу установки в исходное состояние счетчика импульсов, выходы разрядов которого являются выходными шинами, а счетный вход соединен с выходом второго элемента И, первый вход которого подключен к выходу генератора импульсов, выход переполнения счетчика импульсов соединен с R-входом второго триггера, прямой выход которого подключен к управляющему входу аналогового переключателя, вход второго одновибратора соединен с выходом второго элемента ИЛИ, о т л и ч а ю " шийся тем, что, с целью повышения точности, в него введены второй реверсивный счетчик импульсов, третий, четвертый, и пятый элементы ИПИ, третий, четвертый триггеры, инвертор, выход которого соединен с вторым входом второго элемента И, а вход объединен с первым входом третьего элемента И и подключен к выходу третьего элемента ИЛИ, первый вход второго. элемента И объединен с вторым входом третьего элемента И, первый вход третьего элемента ИЛИ объединен с первым входом четвертого элемента

И и подключен к прямому выходу третьего триггера, вход установки в исходное состояние. которого объединенс одноименными входами первого реверсивного счетчика импульсов, первого, второго и четвертого триггеров, подключен к инверсному выходу первого одновибратора, вход управления реверсом первого реверсивного счетчика импульсов подключен к прямому выходу четвертого триггера, инверсный выход которого соединен с вторым входом четвертого элемента И, R-вход подключен к выходу первого элемента ИЛИ, a S-вход — к выходу пятого элемента И, первый вход которого объединен с первым входом четвертого элемента ИЛИ и подключен к выходу четвертого элемента И, второй вход пятого элемента И объединен, с первым входом второго элемента ИЛИ и подключен к выходу преобразователя напряжения в частоту импульсов, втоl0

32

Составитель Ю.Спиридонов

Техред М.Дидык Корректор В.Гирняк

Редактор Н.Лазаренко

Заказ 5085/57 Тираж 884 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

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

Производственно-издательский комбинат "Патент", r.Óæãîðoä, ул. Гагарина,101

9 150307 рой вход второго элемента ИЛИ подключен к прямому выходу первого триггера, вторые входы третьего и четвертого элементов ИЛИ объединены и

5 подключены к инверсному выходу первого триггера, R-вход третьего триггера соединен с выходом пятого элемента ИЛИ, входы которого подключены к выходам разрядов второго ревевсивного счетчика импульсов, счетный вход которого подключен к выходу третьего элемента И, вход управления реверсом соединен с выходом четвертого элемента ИЛИ, а вход установки в исходное состояние подключен к выходу второго одновибратора, S-вход третьего триггера подключен к выходу переполнения счетчика импульсов.