Аналого-цифровой преобразователь совмещенного интегрирования

 

Изобретение относится к области импульсной техники, в частности к преобразователям напряжения в цифровой кед с интегрированием входного напряжения, и может быть использовано в устройствах сбора аналоговой информации систем контроля и управления технологическими процессами . Целью изобретения является повышение быстродействия преобразователя . АЦП содержит интегратор с входными ключами, компаратор, пороговый элемент, блок формирования времени интегрирования опорного напряжения, счетчик, блок управления и элемент И. Новым является введение интегрирующего элемента, переключателя , третьего ключа.источника тока , делителя напряжения, триггера и элемента И, благодаря которым в АЦП дополнительные затраты времени на получение окончательного результата преобразования сведены к незначительной величине и тем самым достигнуто повышение быстродействия АЦП. 2 з.п. ф-лы, 4 ил. сл

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (s>)s Н 03 М 1/52

ГОСУДАРСТВЕHHblИ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4768037/24 (22) 01.11.89 (46) 30,11.91. Бюл, N 44 (71) Всесоюзный научно-исследовательский институт электромеханики (72) Л.M.Ëóêüÿíîâ и Э.С.Подлесный (53) 681,325(088.8) (56) Балавой В.Г. и др, Интегральн ые схем ы

АЦМ и ЦАМ, M.: Энергия, 1978, с, 62, рис. 1 — 19.

Авторское свидетельство СССР

N 347910, кл, Н 03 М 1/52, 1970. (54) АНАЛОГО-ЦИФРОВОЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ СОВМЕЩЕННОГО ИНТЕГРИРОВАНИЯ (57) Изобретение относится к области импульсной техники, в частности к преобразователям напряжения в цифровой код с интегрированием входного напряжения, и

Изобретение относится к импульсной технике, в частности к преобразователям напряжений в цифровой код с интегрированием входного и опорного напряжений, Цель изобретения — повышение быстродействия и реобразователя.

На фиг. 1, 2 и 3 приведены блок-схемы, АЦП, блока формирования времени интегрирования опорного напряжения и блока управления соответственно; на фиг. 4 — временная диаграмма.

АЦП (фиг. 1) содержит шины опорного 1, входного 2 напряжений, пуска 3, готовности результата преобразования 4, выходная 5 соответственно, интегрирующий элемент 6, например выполненный на конденсаторе, интегратор 7, например выполненный на

„„5U„„1695503 А1 может быть использовано в устройствах сбора аналоговой информации систем контроля и управления технологическими процессами, Целью изобретения является повышение быстродействия преобразователя. АЦП содержит интегратор с входными ключами, компаратор, пороговь и элемент, блок формирования времени интегрирования опорного напряжения, счетчик, блок управления и элемент И., Новым является введение интегрирующего элемента, переключателя, третьего ключа, источника тока, делителя напряжения, триггера и элемента

И, благодаря которым в АЦП дополнительные затраты времени на получение окончательного результата преобразования сведены к незначительной величине и тем самым достигнуто повышение быстродействия АЦП. 2 з.п. ф-лы, 4 ил, операционном усилителе с конденсатором в цепи обратной связи, ключи 8, 9 и 10, первые два из которых имеют резисторы R, каждый из них при наличии сигнала на управляющем входе замкнут, при отсутствии сигнала разомкнут, компаратор 11 и пороговый элемент 12 с напряжением срабатывания U, блок 13 формирования времени интегрирования опорного напря- жения, счетчик 14, переключатель 15, у которого при отсутствии сигнала на управляющем входе замкнуты первый вход и выход, а при наличии сигнала замкнут второй вход и выход, делитель 16 напряжения и источник 17 тока с выходным током lc, триггер 18, элементы ИЛИ 19 и И 20, блок 21 управления.

1695503

Блок 13 (фиг. 2) содержит триггер 22„ формирователь 23 импуль .а из отрицательного перепада, элемент 24 И, первый 25 и второй 26 элементы ИЛИ.

Блок 21 (фиг, 3) содержит счетчик 27, генератор 28 импульсов, имеющий вход управления при наличии сигнала на котором генератор включен к работу, триггер 29, иквертор 30, формирователь 31, импульсов из положительного перепада напряжения, элементы И 32 и ИЛИ 33.

На временной диаграмме фиг. 4 обозначены; 34 — импульс на шине пуска; 35— импульс переполнения счетчика 27„ 36— сигнал на единичном выходе триггера 29; 37 и 38 — импульс формирователя 31 и временной интервал То его появления после начала Т ; 39 и 40 — напряжения 0и(1) и Uc,(t) на выходе интегратора 7 и элемента 6; 41, 42 и

43 — временные интервалы Тi<, Тд и T>g в течение интегрирования !4 (время совмещенного интегрирования — T>1); 44 — временной интервал 122 интегрирования Up после Т, 45 — напряжение ur порога срабатывания элемента 12; 46 — си нал на выходе компаратора 11; 47, 48 и 49 — сигналы на выходах элемента 12, триггеров 18 и 22; 50 — импульс формирователя 23; 51 и 52 — сигналы на выходах элемента ИЛИ 33 и инвертора 30 (сигнал готовности результата преобразования на шине 4).

АЦП работает следующим образом.

Преобразование входного сигнала начинается по импульсу 34, поступающему по шине 3 и устанавливающему "О" в счетчиках

14 и 27, в триггерах 18 и 22 (через элементы

ИЛИ 19 и 26) и "1" в триггере 29. его входной сигнал 36, во-первых, с помощью ключа 9

0х подает на вход интегратора 7 ток 4 = —, а во-вторых, проходя через элемент ИЛИ 33, включает генератор 28 и далее через иквертор 30 размыкает ключ 10 и разрешает работу интегратора 7.

Начинается первый такт работы АЦП вЂ”. интегрирования 1х, в результате которого на выходе интегратора 7 появляется напряжение u<{t) и сигнал 46 ка выходе компаратора

11. Напряжение 40 на выходе интегрирующего элемента 6 0<(t) равно напряжению Ug делителя 16, так как их выходы соединены с, помощью переключателя 15, Величина i Ug i выбирается равной! Ug I = Um (1 — — ) — Uq =- — (1 — — ) — ип, 1 - о 1

Я Ч

Uo

Гдв 0„= U„m, q = —, а u< — ПОРОГ СрабатЫвания 45 элемента 12, u — опорное напряжение, 10

Напряжение 0с(т) на выходе элемента 6 будет в течение времени 38 Тс1:

То1 = (1 — -)T1, где Т = i — .

1 No о

Время То> 38 формируется по коду старших разрядов счетчика 27 с помощью элемента И 32. При появлении сигнала на его выходе запускается формирователь 31, à его импульс 37 устанавливает в "1" триггер 18.

Сигнал 48 этого тоиггера с помощью переключателя 15 подключает источник 17 тока к интегрирующему элементу 6, выходное напряжение Uc(t) 40 начинает измекяться (при отрицательной величине 0 оно увеличиваUm (1 — — )

1 ется со скоростью Ч вЂ” .. Вели1ц Т1 чина V обеспечивается соответствующим выбором величины тока источника 17, ис20 пользующего 0О для поддержания его стабильным, и конденсатора интегрирующего элемента 6, Поэтому на выходе элемента 6 в течение

То 38 поддерживается напряжение Ug, а

25 затем оно будет u<(t) =-0ц(1 - Vt). Этим двум напряжениям соответствуют напряжения:

1 — um(1 — — ) u,.(t) = -um(1 -- — )

Ц Ц

30 -(1 — Т } на первом входе порогового

1 "Ц

Т1 элемента 12. при которых он будет срабатывать, Так к окончанию Т> 0сп = О, а при To)

1 оно равно — Um(1 — — ) и при 0х =- Um в этот

Ц момент произойдет срабатывание, порогового элемента 12.

Для других значений Ux это произойдет озже через время Т 41 по сигналу 47, который установит в "О" триггер 18 (через

40 элемент ИЛИ 19) и в "1" триггер 22 (через элементы ИЛИ 25 и И 24), Первый из,них, отключает с помощью переключателя 15 ток

4 от интегрирующего элемента 6, и на его выходе восстанавливается напряжение 40, равное -Ug.

Второй сигналом 49 подключает с помощью ключа 8 напряжение ис к интегратору 7, и начинается совмещенное интегрирование — (0о — 0х) в течение Тд 42, 50 одновременно с которым разрешена работа элемента И 20, пропускающеге импульсы f генератора 28 на счетный вход счетчика 14, гце формируется код Х результата преобразования.

На фиг. 4 показано два случая оконча-. ния Т2> до окончания Т1 и с его окончанием, которое формируется по импульсу 35 с по1695503

МОщЬ1О СЧЕтЧИКа 27 И ИМПУЛЬСОВ fo ГЕНЕратО о ра 28, обеспечивая величину T1 =- o — .

fo

В первом случае напряжение 0

Во втором случае совмещенное интег- 10 рирование Tz142 заканчивается с окончани-ем сигнала 36, так как импульс 35 устанавливает в "О" триггер 29, который отключает Ux от интегратора 7, Таким же образом закончится Т12 43 в первом случае, и 15 если на выходе компаратора 11 присутствует сигнал 46, то он разрешает прохождение импульса 35 через элемент 24 И, который

BHo8b устанавливает в "1" триггер 22, а его сигнал 49 подключает Uo к интегратору, ко- 20 торое разинтегрирует Ои до нуля за время

Tz2.44. .В течение этого времени, как и в Т21 42, в счетчик 14 поступают импульсы fo, и в нем формируется окончательный результат пре- 25 образования Х за время Tzz, которое заканчивается по сигналу 49 и импульсу 50,. устанавливающему в "0" триггер 22. С окончанием Тгг.сигнал 51 с выхода элемента, ИЛИ 33 снимается, и генератор 28 вы ключа- 30 ется, а сигнал 52 с выхода инвертора 30 эакорачивает вход и выход ключа 1 О, выключая из работы интегратор 7, и информирует по шине 4 о готовности результата преобразования. 35

Величина Х сформирована в счетчике 14 в результате преобразования интервалов времени Т21 и Тгг в код с помощью частоты

fo, т.е. Х = (Тг1 + Тгг) то.

Из уравнения преобразования можно 40 определить величину (Т21+ Тгг):

КОхТ11 K(Uo Ох)1 21 + КОхТ12 = КОоТ22, где К вЂ” коэффициент интегратора 7, в котором учтена величина R преобразования Uo и 0» в ток ключами 8 и 9. 45

Откуда 0»(T11 + Т21 + Т12) = Uo(T21 + Т22), Ux или UxT1 = Оо(Т21 + Т22) Поэтому Х = — Т1

Оо — q o = No — -Д-, где Л- KBBHT 50

Ох Ux . Ux

Uo Um

АЦП.

Таким образом; в счетчике 14 получен точный результат преобразования Ux в Х.

Время Тгг определяется величиной

U 1), которая зависит от времени Т12, оп-. 55 ределяемого, в свою очередь, началом совмещенного интегрирования при . срабатывании порогового элемента 12.

Поэтому Ои(Т1) =- КО»112 = KVnT22; Т12 Т1 (T11 + Т21).

Из уравнений окончания совмещенного интегрирования KU»T11 =- K(Uo — Ох)Т21 и срабатывания порогового элемента 12:

Vg(T11) = Uco(T11 — To1)i или Ои(Т11) = Vm(1— — — ) (1

1 T11 — To 1

q Т1

q) можно получить с

1 учетом того, что КТ1 = 1 и To1 = Т1(1 — — ), q

Ux 111 величины: T21 = и

Оо О»

Um(1 — — )q

T11 = T1 . Так как

u„+U,(1--) q

Ц

T1z = Т1 — Т11(1 + ), то Тгг =

Ux

Uo Ux

Ux ux. — T1z =Т1 x

u. qum

Х(1(О 0) Величина Tzz при О, = 0 и Ux = Um равна нулю, и она имеет наибольшее значение

Tzz> при уровне Ux, который можно определить из уравнения T 22 (Ux) = О. Для величи 1 ны q = 4, используемой как и в примере реализации известного преобразователя, величины Uxp= — 0,625Um и T22H = 0,0031Т2.

По сравнению с известным преобразователем, в котором время T22H = 0,125Tt и оно соответствует входному сигналу

О» = — Um mв предлагаемом АЦП для этого

2 уровня О» Tzz = 0,002Т1, à его наибольшее время Тгг = = 0,0031Т1, затрачиваемое на получение окончательного результата преобразования, уменьшается более чем в 40 раз, что повышает быстродействие АЦП.

Формула изобретения

1. Аналого-цифровой преобразователь совмещенного интегрирования,. содержащий интегратор, вход которого соединен с выходами первого и второго ключей, информационные входы которых являются соответственно шинами опорного и входного напряжений, выход интегратора подключен к первым входам порогового элемента и компаратора, второй вход последнего из которых является общей шиной, счетчик, выходы которого являются выходной шиной, вход установки нуля — шиной пуска, блок управления и блок формирования времени интегрирования опорного напряжения, выход которого соединен с управляющим входом первого ключа и первым входом элемента И, второй вход которого соединен с первым выходом блока управления, а вы1695503 ход -- со счетным входом счетчика, первый вход блока управления является шиной пуска, второй выход соединен с управляющим входом второго ключа, третий выход с первым входом блока формирования времени интегрирования опорного напряжения, второй вход которого обьединен со вторым входом блока управления и подключен к выходу компаратора, отл ича ю щийся тем,что, с целью повышения быстродействия преобразователя, в него введены интегрирующий элемент, делитель напряжения, источник тока, переключатель, триггер, элемент ИЛИ и третий ключ, информационный вход и выход которого подключены соответственно к входу и выходу интегратора, а управляющий вход является шиной готовности результата преобразования и подключен к четвертому выхоцу блока управления, пятый выход которого соединен с единичным входом триггера, а первый вход обьединен с первым входом элемента ИЛИ и с третьим входом блока формирования времени интегрирования опорного напряжения, четвертый вход которого объединен с вторым входом элемента ИЛИ и подключен к выходу порогового элемента, второй вход которого соединен с выходами интегрирующего элемента и переключателя, первый и второй информационные входы которого подключены соответственно к выходам делителя напряжения и источника тока, входы которых являются шиной опорного напряжения, а управляющий вход переключателя подключен к прямому выходу триггера, вход интегрирующего элемента является общей шиной.

2. Преобразователь по и, 1, о т л и ч а юшийся тем, что блок формирования времени интегрирования опорного напряжения выполнен на триггере, формирователе импульсов, элементе И, первом и втором элементах ИЛИ, причем выход триггера является выходом блока, а единичный и нуле5 вой входы соединены соответственно с выходами элемента И и первого элемента

ИЛИ. первый вход которого является третьим входом блока, а второй вход подключен к выходу формирователя импульсов, вход

10 которого является вторым входом блока и объединен с первым входом элемента И, второй вход которого подключен к выходу второго элемента ИЛИ, первый и второй входы которого являются .соответственно

15 первым и четвертым входами блока.

3, Преобразователь по и. 1, о т л и ч à юшийся тем, что блок управления выполнен на счетчике, генераторе импульсов, триггере, формирователе импульсов, инверторе, 20 элементах И и ИЛИ, причем первым входом блока является единичный вход триггера и вход установки нуля счетчика, счетный вход которого подключен к выходу генератора импульсов, являющегося первым выходом

25 блока, выход переполнения счетчика подключен к нулевому входу триггера и является третьим выходом блока, а выходы старших разрядов счетчика подключены к соответствующим входам элемента И, вы30 ход которого подключен к входу формирователя импульсов, выход которого является пятым выходом блока,-четвертым выходом которого является выход инвертора, вход которого объединен с управляющим входом

35 генератора импульсов и подключен к выходу элемента ИЛИ, первый и второй входы которого являются соответственно вторыми входом и выходом блока, а прямой выход триггера подключен к второму входу эле40 мента ИЛИ.

1695503

1695503

2 ,/ Я

Составитель В. Махнанов

Редактор А, Калениченко Техред M..Моргентал Корректор Т. Палий

Заказ 4173 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

1I13035, Москва, Ж-35, Раушская наб., 4/5

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