Интегрирующий аналого-цифровой преобразователь

 

Изобретение относится к области электроизмерительной техники и предназначено для создания высокоточных аналого-цифровых преобразователей постоянного напряжения. Целью изобретения является повышение точности преобразования. Поставленная цель достигается тем, что в интегрирующий аналого-цифровой преобразователь, содержащий преобразователь интервал времени - код, устройство управления, устройство сравнения, интегратор, генератор образцовой частоты и три ключа, введены второй интегратор, второе устройство сравнения и дополнительные связи. 3 з.п. ф-лы, 8 ил.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК

SU,» 152591

А1 51) 4 Н 03 M 1/52

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

Интегрирующий АЦП содержит ключи

1 — 3, интеграторы 4 и 5, устройства

6 и 7 сравнения, генератор 8 образцовой частоты, устройство 9 управления, преобразователь 10 интервал времени-код, устройство 9 управления содержит D-триггеры 11 - 13, триггер 14 со счетным входом, одновибраторы 15 и 16, элементы И 17 - 19, счетчик 20, элемент 21 задержки.

Преобразователь 10 интервал времени-код содержит элементы И 22 и 23, триггер 24, счетчики 25 - 27, мультиплексор 28, сумматор 29, делитель на два 30.

Временные диаграммы, представленные на фиг ° 2, полностью отражают процесс изменения напряжения на выходах интеграторов 4 и 5.

Устройство работает следующим образом.

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

1 (21) 4400713/24-24 (22) 31.03.88 (46) 30.11.89. Бюл. 44 (71) Пензенский политехнический институт (72) Э.К.Шахов, С.А.Слюсарев, В.Д.Михотин и В.А.10рманов (53) 681.325 (088.8) (56) Орнатский П.П ° Автоматические измерения и приборы 1986, с.358-359, рис. 8.19.

Гитис Э.И. Преобразователи информации для ЭЦВУ. 1975, с. 368-370, рис. 8-5, b. (54) ИНТЕГРИРУЮЩИЙ АНАЛОГО-ЦИФРОВОЙ

ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ

Изобретение относится к электроизмерительной технике и может быть использовано для построения высокоточных средств измерений.

Цель изобретения - повышение точности преобразования.

На фиг.1 представлена структурная схема устройства; на фиг.2 - временная диаграмма, поясняющая работу устройства; на фиг.3 - один из возможных вариантов реализации устройства управления; на фиг.4 - временная диаг" рамма, поясняющая работу устройства управления; на фиг.5 - одна из возможных реализаций преобразователя интервал времени-код; на фиг.6 временная диаграмма работы преобразователя интервал времени-код; на фиг.7 - процесс преобразования по прототипу; на фиг.8 — процесс получения информативного интервала в предлагаемом устройстве.

2 (57) Изобретение относится к электроизмерительной технике и предназначено для создания высокоточных аналогоцифровых преобразователей постоянного напряжения. Целью изобретения является повышение точности преобразования.

Поставленная цель достигается тем, что в интегрирующий аналого-цифровой преобразователь, содержащий преобразователь интервал времени - код, устройст;- о управления, устройство сравнения, интегратор, генератор образцовой частоты и три ключа, введены второй интегратор, второе устройство сравнения и дополнительные связи.

3 з.п. ф-лы, 8 ил.

1525915

П. р1 л 11аступлением момента (фис,2,1 ключ 1 разомкнут, а ключи 2 и 3 замкнуты, в результате чего за счет интегрирования образцового нап5 ряжения Б,, которое имеет попярность1 противоположную (1„, списывается накопленный интегратором 4 интеграл.

Поскольку ключ 3 замкнут, то операционный усилитель интегратора 5 охва!

О чен 100i-ной отрицательной обратной связью, следовательно напряжение U,„, на выходе интегратора 5 поддерживается равным нулю (при пренебрежении собственными шумами).

В момент времени с,, когда напряжение П„„„(t ) достигает значения порогового напряжения С!„, срабатывает устройство 6 сравнения, по сигналу срабатывания которого устройство 9 управления формирует на своем третьем управляющ1ем выходе потенциальный сигнал, размыкающий ключ 3. При этом начинает интегрироваться напряжение

U„„ (t). При достижении напряжением !!„,1, нулевого значения срабатывает устройство 7 сравнения, по сигналу срабатывания которого устройство 9 управления снимает со своего второго управляющего выхода потенциальный сигнал, выставляя его на первом и третьем управляющих выходах, следовательно к входу интегратора 4 подключается измеряемое напряжение U, а усилитель интегратора 5 вновь оказывается охваченным 100<-ной, отрицательной обратной связью. Измеряемое напряжение интегрируется в течение заданного устройством 9 управления интервала времени Т, по истечении которого (момент с ) устройство уп40

4 равления снимает потенциальный сигнал с своего первого управляющего выхода и выставляет потенциальный сигнал на втором. При этом ключ 1 размыкается, а ключ 2 замыкается, в результате к входу интегратора 4 подключается выход источника образцового напряжения U, которое интегрируется за время ЬТ+ 9 . Начиная с момента t процесс работы устройства

50 аналогичен описанному выше.

Информативные интервалы Д,, ДТ, формируются устройством 9 управления и квантуются импульсами образцовой частоты t в преобразователе 1О инс тервал времени-код, который формирует на своем выходе результат преобразования в виде двоичного кода И„ы

p, iA

+ 6Т, +i ) !,, являющегося цифровым эквивалентом измеряемого на пряжения U>.

Результат преобразования считывается с выхода устройства по сигналу

I I II

Готов, формируемому по окончании интервалов времени 0 устройством 9 управления.

Процесс преобразования за время

Тц (от момента времени t z до tg, фиг.2, 6) описывается следующ1им управлением:

0o9 U To

2л

/ » где — постоянная

dTUQ U Oz

2л ю времени интегрироратора 4. но информативного найдем вания интег

Решая относитель интервала времени, 0 +9г UI To Т +

2 Uo

Полагая что интегратор 5 и уст ройство 6 сравнения являются идеальными, для интервала 61 имеем следующее выражение: е, 1 Uot, 1(U --)dt=0 л где 1 - постоянная времени интегрирования интегратора 5 °

Вычислив интеграл и подставив пределы интегрирования, получим

1 !JД, Ь " ЬLg

Вынеся общий множитель 0, за скобки, умножив и разделив правую и л левую части уравнения на, получим

g, (U„- > О, ) = О.

2 1.

Корнями выражения являются

9, =0 (соответствует началу интерБ, 21, вала 9 ) и 8

11 U о

Выражение представляет собой значение информативного интервала О, в случае, когда элементы устройства идеальны по всем параметрам.

Однако предлагаемому устройству, как и прототипу присущ1а случайная аддитивная погрешность, обусловленная неравенством значений выходного напряжения интегратора 5 У„„т в начале

1 и конце t интервала времени 0, 1 Ъ т.е.

Цинт 5 (с 1 ) UIIII15(9) 15259

Механизм возникновения рассматриваемой погрешности представлен временной диаграммой на фиг.б. Поскольку смещение нуля операционного усилителя (ОУ) интеграторов 4 и 5 и ОУ устройств

6 и 7 сравнения вызывает систематическую погрешность, при рассмотрении процесса преобразования принимается во внимание лишь высокочастотные сос- 10 тавляющие собственных шумов „ (t ) интегратора 5 и ) t (t ) устройства 1 сравнения. Заметим, что при оговоренном условии значение собственного шума „„,вIt) на выходе интегратора о !Б равно значению собственного шума ОУ, приведенного к го входу. Действительно, до момента t< ОУ охвачен 1001-ной отрицательной обратной связью (00C).Поэтому в этот момент имеем место равенство20

U„„,,(t,)= „„„(t, >.

После момента t<, когда конденсатор разомкнут, сопротивление последнего для высокочастотной составляющей по-прежнему остается достаточно малым,, 25 т.е. по-прежнему действует 1003-ная

ООС. В момент t имеет место равенство U„„, (t )= „(t ) Таким образом, можно записать

b R=Un„< 5 (t >)-Цинт > (t, ) - с б (с з) — 30

- „,(c, ) .

Оценим вес параметра ЬК в результате преобразования.

Полагая, что за исключением собственных шумов во всех отношениях интег

35 ратор 5 и устройство 7 сравнения идеальны, можно записать

6)а

- (U„- — „c) a c =дК. о

Вычислив интеграл и подставив гра- 40 ничные значения интервала интегрирования, получим

И Е - "— 0 = t R» .

Корни квадратного уравнения

Воспользовавшись формулой разложения функции вида У=(1-Х)" в степенной ряд и ограничившись первым членом ряда ввиду маслости последующих, представим подкоренное выражение следующим образом: л

3 =-1 vo со Vn

Б,Д R(, )) п(1 !!2„7;

Ь К(.) где компонента -- — - погрешность определения информативного интервала.

Для определения выигрыша по точности от использования предлагаемого устройства необходимо оценить отноше( ние - в формуле. Для этого найдем ттП значение выходного напряжения интегратора 5 в момент времени t2, т,е. когда U,„, q (t ) достигнет максимального значения

Q,)2

U„„= (U „— c)d t. мОкc с„,) " ь о

Решив уравнение и подставив пределы интегрирования, получим

V6 Vn 1 V 0, ма ке 2у - V ух 8 и

Вынеся за скобки общий множитель

Un имеем

vn 6< v9, U = -- (-- — - = -). макс <. 2 8U с

Для оценки выигрыша нас интересует

Ь1 величина, обратная сомножителю р; —, л Ь т.е.

Л и

9 Uo9 — (— — — )—

U 2 80),(. 0 макс

Подставив значение 0,, получим у

"3 (2))Un Up Бь U() 1 (+Un

U 2Up Up 8Un с смаке, Ua

7Un 1

- ---)---- = -----2Uo 11макс Up 2Имакс т) 2

2 U, 50 имеет лишь корень за знак радикала

6 = — (U +U 1-2 ! 11 11 д о ()2 тт"

c (U„+

vo физический смысл

0,, поэтому, вынося величину U,ïoëó÷èè

Предлагаемое устройство дает погрешность, равную

Uï

= ---- = И ------0""I 4" v„v 2и

Погрешность преобразования у предлагаемого устройства во столько раз меньше, чем в прототипе, во сколько раз значение 2() „, больше порогового напряжения. Реально значение V « определяется диапазоном линейного

1525915

l0

15 у-,<с к.-< х,:р„ « ристики вход-выход . »<:рацион»ого усилит=ля, т.е. длл

Ьоль<ш..< та < типов операционных усилителей составляет 1О В. Зна-<ение II и не дол»<но быть меньше максимально возможного значения напряжения смещения операционного усилителя, на котором построен интегратор 5 (при несоблюдении этого условия функционирования устройства не будет соответствовать временной диаграмме фиг.8, .

Обычно напряжение смещения не превышает 100 мВ. Следовательно, 2l /U

VOL; имеет порядок 10 и более, т.е. в рассматриваемом устроистве обеспечивается уменьшение случайной погрешности от воздействия собственных шумов примерно на 2 и более десятичных порядков °

Механизм получения преимущества наглядно иллюстрируется на фиг.7 и 8.

На фиг.7 представлен процесс npeohp, эованил по прототипу, где (t ) собственный шум операционного усилителя устройства сравнения. Процесс получения информативного интервала в предлагаемом устройстве представлен

Фиг.8, Очевидно, что решающим фактором в вопросе повышения точности измерения является значение крутизны накло <а графика изменения выходных

í",пряжений интеграторов в зоне действия сигналов собственных шумов операционных усилителей.

Рассмотрим работу устройства 9 управле»ия.

Сига<»ям упр«вленил ключами 1-3 формируются 1)-триггерами 11 и 12 по сигналам срабатывания устройств 6 и 7 сравнения„ И;<формативные интервалы

Я >,. формируются на выходах D-тригг<;ов 11 и 13 соответственно. Заданны < ингерлал T. интегрирования измеряемого напря»<ения 11„ равен времени заполнения полного объема счетчика 20 импульсами образцовой частоты

1» р т.е. 2 - импульсами. Интервал времени Т, начинаетсл с момента срабатывания устройства 7 сравнения и заканчивается с приходом на вход счетчика 20 л-го импульса частоты 1, . D òðèããåð

12 уста-<авливается в нулевое состояние по заднему фронту сигнала с выхода старшего разряда счетчика 20. Для устранения запрещенных комбинаций логических уровней на входах 0-триггера

12 между К-входом последнего и выходом старшего (и-го) разряда счетчика

?5

20 включена развязка в виде одновибратора 16, который формирует короткий импульс по заднему фронту. Аналогич-, ную функцию выполняет одновибратор

15, который формирует короткий импульс по переднему фронту сигнала срабатывания устройства 7 сравнения.

С поступлением каждого импульса с выхода одновибратора 15 на счетный вход триггера 14 последний изменяет свое состояние на противоположное °

Состояние триггера 14 стробируется импульсами с выхода элемента 21 задержки на элементах И 18 и 19. Элемент 21 задержки компенсирует задержки времени на переходные процессы при срабатывании триггера 14 и обеспечивает временную развязку между моментами появления импульсов "Готов" и "Chpoc» (фиг.4 диаграммы СТ1, СТ2, СТ3). Импульсные последовательности Сброс СТ1" и "Сброс СТ2" сдвинуты доуг относительно друга на полпериода.

Работу устройства 9 управления рассмотрим, начиная с момента (фиг.4), когда на прямой динамический

С-вход D-триггера 11 поступает передний фронт сигнала срабатывания устройства 6 сравнения, в результате чего на прямом выходе триггера 11 выставляется потенциальный сигнал, который поступает на четвертый выход устройства 9 управления и одновременно переводит В-триггер 13 в нулевое состояние. С поступлением на четвертый вход схемы 9 управления переднего фронта сигнала срабатывания устройства 7 сравнения (УС 7 момент > ) триггер !2 переходит в единичное состояние, открывая элемент И 17 для прохождения импульсов образцовой частоты f, на счетный вход счетчика 20, который до этого момента был обнулен.

Одновременно импульс с выхода одновибратора 15 сбрасывает D-триггер 11, изменяет состояние триггера 14 и с задержкой pt на элементе 21 задержки поступает через элемент И 18 или 19 (в зависимости от состояния триггера

14) на пятый или шестой выход устройства 9 управления. Таким образом, между моментами времени С, и t > формирует первый информативный интервал

Начиная с момента t3 формируется заданный интервал Т, который заканчивается с поступлением и-го импульса на вход счетчика 20.

1525915

По завершении интервала Т на выходе старшего разряда счетчика 20 наблюдается отрицательный перепад логического уровня, в результате чего

5 триггер 13 принимает единичное состояние и одновибратор 16 формирует импульс, сбрасывающий триггер 12, следовательно элемент И 17 закрывается для прохождения импульса образцовой частоты на счетный вход счетчика 20.

Между мОментами 1 и С С и формируются информативные интервалы

АТ и 0 сООтветственнО. Далее рабОта схемы протекает аналогично процессу, описанному выше.

С целью исключения накопления погрешности квантования моменты времени срабатывания устройства 6 сравнения, начала интервала Т,, окончания интервала hT синхронизированы с образцовой частотой

Работу преобразователя интервал времени — код рассмотрим, начиная с момента t< (фиг.6), когда в счетчике

27 зафиксировано число импульсов пачки 6Т, fo, в счетчике 25 зафиксировано число импульсов пачки 0 fð, счетчик 26 сброшен, а триггер 24 на- 30 ходится в единичном состоянии. На время Д, открывается элемент И 22 и импульсы образцовой частоты fo,поступают на счетные входы счетчиков 25 и 26. Таким образом, по окончании 35 интервала 9, (момент с, фиг.б) на выходах счетчиков 25 и 26 будут сформированы коды N,=(6р+0,) 1,, и М = 8,, соответственно. Потенциальный сигнал, присутствующий на выходе триггера 24, 4р воздействуя на управляющий вход мультиплексора 28, поддерживает последний открытым по первому входу, подключая тем самым выход счетчика 25 к входу делителя на два 30. Таким образом, 4g на входы сумматора 19 поступают коды

eo+ 1

ДТ, f, и () f . Следовательно, на выходе преобразователя интервал времени-код будет сформирован код 0+

И ык-— (---.,-- + А Т) f,, который являет» ся результатом преобразования измеряемого напряжения. Код И считывает- 5 ся импульсом "Готов". С некоторой задержкой после появления импульса "1отов" импульсами "Сброс СТ1" и "Сброс

СТ3" (см. фиг.4) обнуляются счетчики

25 и 27, а также изменяет свое состояние триггер 24, снимая со своего выхода потенциальный сигнал, в результате чего мультиплексор 28 подключает к входу делителя на два 30 выход счетчика 26. В момент времени t на время ËÒ потенциальным сигналом с первого входа преобразователя 10 интервал времени-код открывается элемент И 23 для прохождения импульсов образцовой частоты и на счетный вход счетчика 27, на выходе которого по истечению интервала времени hT, Формируется код М -67 f . Далее повторяется описанный выше процесс, т.е. работа схемы, начиная с момента времени t, аналогична работе с момента времени t

Цикл преобразования измеряемого напряжения заключен между моментами

t z u t (фиг.6). Каждое значение 0 является компонентом результатов преобразования как предыдущего, так и последующего циклов. В связи с этим для реализации функции преобразования необходимо иметь значение 0;, полученное в данном цикле, и 9;,, полученное в предыдущем цикле. Последнее осуществляется посредством двух счетчиков 25 и 26. Один из них фиксирует последовательность f g,, второй - добавляет к зафиксированной в предыдущем i-1-ом цикле импульсной последовательности 8;, Е, имгульсную последовательность 0 fa i ãî цикла.

Формула изобретения

1 ° Интегрирующий аналого-цифровой преобразователь, содержащий первый и второй ключи, информационные входы которых являются соответственно входной шиной и шиной образцового напряжения, а выходы объединены и подключены к входу первого интегратора, выход которого соединен с первым входом первого устройства сравнения, второй вход которого является шиной порогового напряжения, а выход подключен к первому входу устройства управления, первый и второй выходы которого подключены к управляющим входам первого и второго ключей соответственно, а третий выход соединен с первым входом преобразователя интервал времени - код, второй вход которого соединен с выходом генератора образцовой частоты, а выходы явля1525915

40 ются выходной шиной, о т л и ч а ю шийся тем, что, с целью повышения точности преобразования, в него введены второй интегратор, второе устройство сравнения и третий ключ, информационный вход и выход которого подключены к первому и второму управляющим входам второго интегратора соответственно, информационный вход которого соединен с выходом первого интегратора, выход подключен к первому входу второго устройства сравнения, второй вход которого является общей шиной, а выход подключен к вто- 15 рому входу устройства управления, третий вход которого соединен с выходом генератора образцовой частоты, четвертый выход - с управляющим входом третьего ключа, пятый, шестой, седьмой и восьмой выходы соединены соответственно с третьим, четвертым, пятым и шестым входами преобразователя интервал времени - код, девятый выход является шиной готовности ре- 25 зультата.

2. Интегрирующий аналого-цифровой преобразователь по и.1, о т л и ч а ю шийся тем, что устройство управления выполнено на трех D-триггерах и триггере со счетным входом, двух одновибраторах, трех элементах

И, счетчике и элементе задержки, причем первым входом устройства является

С-вход первого 1 -триггера, R-вход которого соединен с выходом первого одновибратора и объединен со счетным входом триггера со счетным входом, входом элемента задержки и является девятым выходом устройства, шестым выходом которого является выход элемента задержки, седьмым и восьмым выходами - соответСтвенно выходы первого и второго элементов И, первые входы которых подключены к выходу 45 элемента задержки, а вторые входы соединены соответственно с прямым и инверсным выходами триггера со счетным входом, вход первого одновибратора является вторым входом устройства и объединен с С-входом второго Dтриггера, R-вход которого через второй одновибратор подключен к выходу старшего разряда счетчика, который подключен к С-входу третьего D-триг55 гера, R-вход которого является пятым выходом устройства и соединен с прямым выходом первого D-триггера, инверсный выход которого является четвертым выходом устройства, а прямой и инверсный выходы второf-o D-триггера являются соответственно первым и вторым выходами устройства, при этом прямой выход второго D-триггера соединен с первым входом третьего элемента И, второй вход которого является третьим входом устройства, третьим выходом которого является выход третьего D-триггера, а выход третьего элемента И соединен со счетным входом счетчика, D-входы первого, второго и третьего D òðèããåðîâ являются шиной логической единицы.

3. Преобразователь по п.1, о т л и ч а ю шийся тем, что преобразователь интервала времени — код выполнен на двух элементах И, трех счетчиках, триггере, мультиплексоре, сумматоре и делителе частоты на два, через который выход мультиплексора соединен с первым входом сумматора, выходы которого являются выходами преобразователя, а второй вход соединен с выходом первого счетчика, вход сброса которого является четвертым входом преобразователя, а счетный вход соединен с выходом первого элемента И, первый вход которого является первым входом преобразователя, а второй вход является вторым входом преобразователя и объединен с первым входом второго элемента И, второй вход которого является третьим входом преобразователя, а выход соединен со счетными входами второго и третьего счетчиков, входы сбросов которых являются соответственно пятым и шестым входами преобразователя, а выходы соединены соответственно с первым и вторым информационными входами мультиплексора, управляющий вход которого подключен к выходу триггера, R- u S-входы которого являются пятым и шестым входами преобразователя соответственно.

4. Преобразователь по п.1, о тл и ч а ю шийся тем, что второй интегратор выполнен на резисторе, конденсаторе и операционном усилителе, выход которого является выходом интегратора, вторым управляющим входом и через конденсатор соединен с инвертирующим входом операционного усилителя, который является первым управляющим входом блока и соединен с первым выводом резистора, второй

l3

4 525915

14 вывод которого является информацион- вход операционного усилителя является ным входом блока, а неинвертирующий общей шиной. гй1

4rJ (Риг. J

Ez 4 4

7о

В ь7

Уи

Уст

&np Мл!

Уар

lorn

Ир

Сбро

Ори

1525915

О б 7 (1

15259I5 ос СТ1

cf nc пг

dpuc EYJ

Уингз

Составитель В.Махнанов

Редактор Н,Киштулинец Техред М.Дидык

Корректор В.Еабаций

1 Заказ 7244/55 Тираж 884 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113В35, Москва, 3(-35, Раушская наб., д. 4/5

Производственно-издательский комбинат Патент", г. Ужгород, ул. Гагарина,101