Аналого-цифровой преобразователь с преобразованием напряжения в частоту
Изобретение относится к импульсной технике, в частности к преобразователям напряжения в цифровой код с промежуточным преобразованием напряжения в частоту импульсов, и может быть использовано в устройствах сбора аналоговой информации систем испытаний, контроля и управления технологическими процессами. Целью изобретения является повышение точности преобразования0 Аналого-цифровой преобразователь (АЦП) содержит преобразователь напряжения в частоту с вход- 1ным переключателем, вычитатель, два счетчика, реверсивный счетчик, два триггера, генератор импульсов, одновибратор, логические элементы И и ИЛИ„ Введение в АЩТ третьего счетчика , двух триггеров, формирователя импульсов и логических элементов позволяет уменьшить квант преобразования , что повышает точность работы АЦП„ 2 ил,, с S (Л
СОЮЗ СОВЕТСНИХ
СОЦИАЛИСТИЧЕСНИХ
РЕСПУБЛИК (19) (11) (51)5 Н 03 M 1/60
В1КЩ@
4ИЙЦц 1ЦУ "::- БЛИЩ
ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
К А ВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ
ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ
ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТНРЫТИЯМ
ПРИ ГКНТ СССР
j(2l) 4708536/24 (22) 21.06.89 (46) 23.05.91. Бюл. Р 19 (71) Всесоюзный научно-исследовательский институт электромеханики (72) Л.М.Лукьянов и А.П.Телепин (53) 681.325(088„8) (56) Балакай В.Г. и др. Интегральные схемы АЦП и ЦАП, 1978, с.72,рис.1-23.
Авторское свидетельство СССР
У 1150769, кл. H 03 M 1/60, 1983. (54) АНАЛОГО-ЦИФРОВОЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ
С ПРЕОБРАЗОВАНИЕМ НАПРЯЖЕНИЯ В ЧАСТОТУ (57) Изобретение относится к импульсной технике, в частности к преобразователям напряжения в цифровой код с промежуточным преобразованием наИзобретение относится к импульсной технике, в частности к преобразователям напряжения в цифровой код с промежуточным преобразованием в час то ту импуль сов .
Цель изобретения — повышение точности преобразования.
На фиг.i изображена блок-схема
АЦП; на фиг.2 — временные диаграммы его работы.
АЦП содержит входные шины 1-3 для преобразуемого U< и опорного напряжений и для сигнала пчска в работу, выходные шины 4 кода результата преобразования, преобразователь 5 напряжения в частоту (ПНЧ) импульсов, аналоговый переключатель 6, у котопряжения в частоту импульсов, и может быть использовано в устройствах сбора аналоговой информации систем испытаний, контроля и управления технологическими процессами. Целью изобретения является повышение точности преобразования. Аналого-цифровой преобразователь (АЦП) содержит преобразователь напряжения в частоту с .вход ным переключателем, вычитатель, два счетчика, реверсивный счетчик, два триггера, генератор импульсов, одновибратор, логические элементы И и
ИЛИ. Введение в АЦП третьего счетчика, двух триггеров, формирователя импульсов и логических элементов позволяет уменьшить квант преобразования, что повышает точность работы
АЦП„2 ил. рого первый вход соединен с выходом при наличии сигнала на управляющем входе и второй вход соединен с выходом при отсутствии управляющего сигнала, вычитатель 7 аналоговых сигналов, аналоговый ключ 8, вход которого соединен с выходом при наличии сигнала на управляющем входе, счетчики 9 и
10 причем счетчик 10 имеет счетный вход для р-го разряда, реверсивные счетчики 11 и 12, имеющие входы управления режимом вычитания, генератор 13 импульсов, имеющий частоту
f n На фиг.2 обозначены: 34 — импульс пуска АЦП в работу; 35-39 — сигналы на выходах "1 " триггеров 14 и 15, старшего разряда счетчика 9, триггер ров 1 6 и 17; 40 — временные интервалы наличия f на счетном входе счето .чика 12; 41 — сигнал на выходе элемента ИЛИ 30. При этом на фиг.2 приведены два примера преобразования Uõ>2 U è Uõ О АЦП работает следующим образом. В интервалах времени, когда не выполняется преобразование U> триггеры 14-17 находятся в "0" исходном состоянии, в которое они приходят к окончанию очередного преобразования, а также после включения питания АЦП. В последнем случае это обеспечивается тем, что работа счетчиков 9 и 11 не запрещается каким-либо сигналом 25 и импульс переполнения первого из них устанавливает в "0" триггер 1 4 через элемент ИЛИ 33, а снятие сигнала с выхода элемента ИЛИ 30 при получении п0 кода в реверсивном счетчике 11 устанавливает в "О" триггер 15. Если с включением питания триггеры 16 и 17 установятся в "1", то в первый из них "0" запишется первым импульсом с выхода ПНЧ 5, 35 который пройдет через элемент И 23 и запустит формирователь 28, сигнал которого подается на вход "О" триггера 1 6, а "О" в триггер 1 7 запишется после установки в О триггера 40 1 5 при работе реверсивного счетчика 1 2, когда его код становится равным "0" по снятию сигналя с выхода элемента ИЛИ 31. Исходное состояние "0" триггеров 14-17 обеспечивает выключение из работы счетчика 10, так как работа элементов И 19-21 запрещена, и разрешена работа реверсивного счетчика 12, так как элементы И 25 и 27 откры50 ты сигналами с выходов "0" триггеров 14-16. Импульсы f генератора 13 проходят через элемент И 25 и ИЛИ 32 и подсчитываются реверсивным счетчиком 12 (временные интервалы 40), а импульсы с выхода ПНЧ 5 проходят через элемент И 27 и устанавливают н нем код "0". Из-за отсутствия сигналов 35 и 36 на управляющих входах ключа 8 и переключателя 6 выходной сигнал вычитателя 7 будет равен U и он преобразуется ПНЧ 5 в частоту F Uo Ч В течение периода Р в реверсиво ном счетчике 12 формируется код f > /Fo ф KQTQPbfH c кажДым импУльсом У сбрасывается в "0" и вновь формируется за время 1/F . Этот процесс продолжается до появления импульса 34 пуска АЦП в работу, который может появиться в любой момент времени относительно прихода F т.е. о через t после очередного импульса. 3а время t < в реверсивном счетчике 12 будет получен код и„= tu„ f u за это же время ПНЧ 5 получит заряд от Бо, равный q = k U < tu, но меньOl ший q. Импульс 34 запускает одновибратор 18, который обнуляет счетчики 9-11 и устанавливает в "1" триггер 14, снятие сигнала с выхода "0" которого запрещает. работу элементов И 25 и 27 и счетчика 12, в котором будет храниться код п<, используемый при дальнейшем получении результата преобразования. Сигнал 35 с выхода "1" триггера 14 при помощи переключателя 6 подает на вход ПНЧ 5 напряжение U и разрешает совместно с сигналом с вы" хода "Оп старшего разряда счетчика 9 работу элемента И 19. Так начинается первый такт Т работы АЦП, в течение которого с выхода ПНЧ 5 иа счетчики 10 и ll поступают импульсы с Ur частотой F Х1 Ч ° В течение времени, равного половине Т времени измерения U<, в счетчике 11 накопится N „< импульсов, а в счетчике 9 будет сформирован предварительный результат преобразования N . Время То формируется с помощью импульсов генератора 13 и счетчика 9, имеющего емкость, равную 20 ао. От момента прихода импульса 34 до переполнения счетчика 9 проходит время Т - 21 1o nî f o После начала Т за время — — Т 1 2 О с выхода ПНЧ 5 на вход р-ro разряда счетчика 9 поступит N импульсов 165 1381 1, 1 Ц q Так как вес р-го разряда этого счетчика равен 2п@, то по этим импульсам будет получен код N N> 2n ° Этот код отличается от точного результата преобразования, так как он получен за время, равное половине времени интегрирования U>, и в него входят погрешности от k, q и Ч,, Поэтому N используется только для опреP деления окончания Т и начала второго такта Т, что обеспечивает наименьшее общее время преобразования. Это окончание определяет импульс переполнения. счетчика 1 О, на счетный вход которого во второй половине Т подаются импульсы f, так как о сигнал 37 и сигнал с выхода "О" триггера 16 открывают элемент 20, а элемент 19 закрывают. Емкость счетчика 10 равна Nono поэтому после прохождения (Non — Np) импульсов появится импупьс переполнения, который установит в "!" триггер 16. Сигнал 38 с его выхода "1" открывает элемент И 23 и первый импульс ПНЧ 5 запускает формирователь 28, а он устанавливает в "О" триггеры 16 и 14 (последний через элемент ИЛИ 33) и в "1" триггеры 15 и 17 (последний через элемент И 24, и только в том случае, если на выходе элемента ИЛИ 31 имеется сигнал). На этом заканчивается Т, сигнал 35 снимается, а появившийся сигнал 36 проходит через элемент И 22 и подключает U> с помощью ключа 8 на вход вычитателя 7. С его выхода сигнал (U - V„) подается на ПНЧ 5, на выходе которого начинают формироваться имUo- Пк пульсы F k — — - и начинается х второй такт работы. 3а время Т< с выхода ПНЧ 5 на вход реверсивного счетчика 1l поступит целое число N импульсов в результате преобразования заряда q = qz> + + k U T< и в нем будет получен код N< q /q. К окончанию Т < в счетчике 10 будет код "0", так как с появлением его переполнения сигнал с выхода "0" триггера 1 6 снимается, закрывается элемент И 20 и подсчет импульсов f прекращается. В течение Т сигнал 36 включает в реверсивном счетчике 11 режим выЗа это же время в счетчик 10 поступит N<> импульсов fz N (Тй t„ Т5) f o ° Из условия Н»- N = О, подставляя в него значения N<= <,
q>> /q, можно определить соответст. вие времени (Т + Т- ) с величиной преобразуемого сигнала U g 55 ЧО< х 1 О „ 0 Учитывая, что Т = Т вЂ” Т, получь ипи (Т + Т1) З= Т ) + С я(° Бк "о 45 читания и импульсы ПНЧ 5 F> будут вычитаться из N< . В это время в счет. чике 10 происходит подсчет импульсов которые проходят через элементы И 21 и ИЛИ 29. При этом подсчет начинается только после того, как закончится сигнал 39 и появится сигнал в результате установки в "О" триггера 17. Это произойдет через t>< п /Гд после начала Т, так как только после уменьшения кода п в ревер11 сивном счетчике 12 до "О" снимется сигнал с выхода элемента ИЛИ 31, ко торый устанавливает в "О" триггер 17. Уменьшение кода п импульсами f происходит благодаря тому, что сигнал 39 разрешает работу элемента И 26 и включает режим вычитания в реверсивном счетчике 12. Поэтому подсчет импульсов Г в счетчике 10 выполняется за время, меньшее, чем Т на tgf ° Второй Т такт работы АЦП заканй чивается с окончанием по импульсу переполнения счетчика 9, устанавливающего в "0" триггер 14. С окончанием Т снимается сигнал 36 и в течение Т з третьего такта отключается U от вычитателя 7, на его выходе появляется напряжение U которое начинает преобразовываться ПНЧ 5 в импульсы Р = Ы1 /q„ Ýòè импульсы продолжают уменьшать в реверсивном счетчике 11 код N< до нуля, с появлением которого сигнал 41 с выхода элемента ИЛИ 30 снимается и устанавливает в "0" триггер 15. На этом преобразо-. вание заканчивается, все триггеры 14- l7 находятся в исходном состоянии "0". За время (Т + Тз) на вход ПНЧ 5 поступит заряд q = k(U0 U<)T<+ + kU N<>= о /q„ 1651381 UX UL(UX 03 11 ТOЕо Uo "опо- дп В счетчике 10 получен результат преобразования х = Ng для U В Рассмотренных случаях преобразования U oêîí÷àòåëüíûé результат преобразования х не содержит погрешностей от t I(,и (., присущих прототипу, и по сравнению с ним имеет 55. Подставив это значение в N, будем иметь (T + t t )f = --л,21 1 и Цм 1|л И о И(A(о U о д о . о 5 Фа 1| . Дп U а Uкив где Дп — — — =,— — квант АЦП.. 2N и Nîn р Таким образом в счетчике 1 0 10 получен окончательный результат х N преобразования U< за время Т Йеобходимо отметить, что при преобразовании напряжений, имеющих незначительную величину или U = О, может не произойти окончание Т в течение То. Например, как это показано на фиг.2, после второго импульса 34 при выполнении преобразования U < п Дп, величина NII будет равна нулю и пере- 20 полнение счетчика 10 произойдет тольico с окончанием Т (сигнал 37), а о окончание Т вЂ” по первому импульсу (ПНЧ 5 через время t< после Т . В течение с (снгнал 38) ревер- 25 сивный счетчик 12 работает как н вперед,началом:Т (в триггерах 14 и 15 находится код "0"). Поэтому в нем код п 1 будет увеличен на пф t ° t о, После окончания Т в реверсивном 30 счетчике 11 будет код N = 1 соответствующий sapIIpw Чo qo(+ kU>To + + kU t . В этом случае второй такт о и работы АЦП отсутствует, после Т начинается сразУ Т, а после пРихода 35 первого в Т импульса Fe соответствующего заряду q = kUoT, преобразо- 3 ванне заканчивается. В течение Т> счетчик 10 начинает работатъ через ВРЕМЯ (П + По) . tII< + t< ПОЭтО40 о му в нем будет получен код N> (Т— te — tQ )fo О Из условия Н(й О или q, q> о имеем 45 1О<+ kUq|о+ kUоТ2 1 оТр откуда Т . Т >+ t>,+ t<, Ug Uo Подставляя величину Т в N з полу3 U въ Д квант Дп — - — — в по раз Nolle no меньше его кванта. Это позволяет увеличить точность работы АЦП. Прео бра зов ание t „и t < в коды п и п< будет выполняться с возможным возникновением погрешностей, максимальные величины которых составят Аналогичные ошибки могут появиться при преобразовании (Т + Т ) в код 1123= (Та+ Т )Е,+1. Прй формировании длительности измерения, Zo также может иметь место погрешность (2Nen î 1) /f å Если значение и<, п2 И и То под ставить в уравнения преобразования, то получим значение х, отличающееся < от точного значения х х (2Nn-1)- — fe+ t Еt Пк 1 о о f о Ь 0 о -n+ t f n «+1 = — (2Nn - 1)й3. (U,ê д и U, О Р Наибольшая погрешность в х по сравнению с х будет прн преобразовании максимального входного сигнала Q U H os cocTaBRT величину оТ +2,5 до -3,5 единицы, соответствую-щей кванту. Дп = Д/п Это позволяет количественно оценить ° на сколько улучшилась точность в предлагаемой АЦП по сравнению с прототипом, который имеет погрешность 12 нли -1,5 единицы, соответствующей кванту Д. Для случая возникновения наибольших погрешностей точность будет повышена в Р раз, где P = 2Д/3,5 Ьп 0957 по. Таким образом, в предлагаемом АЦП лри условии сохранения основных параметров прототипа Fe и Тд по сравнению с ним в P= 0,57 п раз повышена 4 точность работы. Так, при увеличении в АЦП частоты генератора в 16 раз (n 16) и увеличении разрядов счетчиков 9 и 10 на четыре разряда увеличение точности будет более чем в 9 раз. Формула изобретения Аналого"цифровой преобразователь с преобразованием напряжения в частоту, содержащий переключатель, пер.вый информационный вход которого 1651381 25 объединен с информационным, входом ключа и является входной шиной, второй информационный вход подключен к выходу вычитателя, первый вход которого является опорной шиной, а второй вход соединен с выходом ключа, а выход переключателя через преобразователь напряжение — частота соединен со счетным входом первого реаер- 1р сивного счетчика и первым входом первого элемента И, второй вход которого объединен с управляющим входом переключателя, первым входом второго элемента И и подключен к первому 15 выходу первого триггера, третий вход подключен к нулевому выходу старшего разряда первого счетчика, а выход— к счетному входу р-ro разряда второго счетчика, выходы разрядов которо- 2р го являются выходными шинами,,а счетный вход соединен с выходом первого элемента ИЛИ, первый и второй входы которого подключены соответственно к выходам второго и третьего элементов И, первый вход последнего из которых соединен с первым выходом второго триггера и объединен с первым входом. четвертого элемента И, второй вход — с выходом генератора 30 импульсов и объединен со счетным входом первого счетчика и вторым входом второго элемента И, третий, вход которого объединен с вторым входом четвертого элемента И и подключен к 35 единичному выходу старшего разряда первого счетчика, вход обнуления которого объединен с одноименными входами первого реверсивного и второго счетчиков и первым входом первого 4р триггера и подключен к выходу одновибратора, вход которого является шиной запуска, выходы разрядов первого реверсивного счетчика через второй элемент ИЛИ соединены с первым входом 45 второго триггера, а выход четвертого элемента И подключен к управляющему входу ключа, отличающийся тем, что, с целью повышения точности преобразования, в него введены вто- 5р рой реверсивный счетчик, третий и.четвертый триггеры, третий, четвертый н пятый элементы ИЛИ, с пятого по девятьгй элементы И и формирователь импульсов, причем выходы седьмого и восьмого элементов И подключены к входам четвертого элемента ИЛИ, а их первые входы объединены и соединены с выходом генератора импульсов, первый вход девятого элемента И объединен с первым входом первого. элемента И и с первым входом пятого элемента И, второй вход седьмого и второй вход девятого элементов И объединены и подключены к второму выходу первого триггера, а третий вход седьмого и третий вход девятого элементов И объединены и подключены к второму выходу второго триггера, второй вход восьмого элемента И соединен с первым выходом четвертого триггера и объединен с входом управления вычитанием второго реверсивного счетчика, вход обнуления которого подключен к выходу девятого элемента И, четвертый вход которого подключен к первому выходу третьего триггера и объединен с четвертым входом второго элемента И, выход третьего элемента ИЛИ соединен с первым входом четвертого триггера и первым входом шестого элемента И, второй вход которого объединен с первым входом третьего триггера, с вторым входом второго триггера, подключен к выходу формирователя импульсов и объединен с первым входом пятого элемента ИЛИ, второй вход которого соединен с выходом переполнения первого счетчика, а выход — с вторым входом первого триггера, второй вход третье- . го триггера соединен с выходом переполнения второго счетчика, а первый выход второго триггера соединен с входом управления вычитанием первого реверсивного счетчика, второй выход четвертого триггера подключен к третьему входу третьего элемента И, вход формирователя импульсов соединен с выходом пятого элемента И, второй вход которого соединен с вторым выходом третьего триггера, а второй вход четвертого триггера соединен с выходом шестого элемента И, выход четвертого элемента ИЛИ соединен со счетным входом второго реверсивного счетчика, выходы разрядов которого соединены с соответствующими входами третьего элемента ИЛИ. l65I38I Составитель В.Махнанов Техред А.Кравчук Корректор М Самборская Редактор С.Пекарь Заказ 1611 Тираж 473 Подписное ВЯИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР 113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5 Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул. Гагарина, 101
