Аналого-цифровой преобразователь

 

Изобретение относится к области импульсной техники, 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 контроля и управления технологическими процессами. Целью изобретения является повышение быстродействия и точности. Для этого в аналого-цифровой преобразователь, содержащий преобразователь напряжения в частоту импульсов, переключатель, три счетчика, регистр, три триггера, три одновибратора, два формирователя импульсов, логические элементы И или ИЛИ, введены аналоговые сумматор и вычитатель, постоянное запоминающее устройство, логический инвертор, регистр , счетчик, элементы ИЛИ и И, благодаря которым преобразование выполняется без дополнительных потерь времени и погрешностей и тем самым повышаются быстродействие и точность работы преобразования. 2 ил. 1Л

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (51)5 Н 03 М 1/60

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4844503/24 (22) 26.06,90 (46) 23,04.92. Бюл, N 15 (71) Всесоюзный научно-исследовательский институт электромеханики (72) Л,М.Лукьянов (53) 681.325 (088.8) (56) Авторское свидетельство СССР

Nò 1150769, кл. Н 03 М 1/60, 1984.

Авторское свидетельство СССР

N 1504789, кл. Н 03 M 1/60, 1988, (54) АНАЛОГО-ЦИФРОВОЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬЬ (57) Изобретение относится к области импульсной техники, в частности к преобразователям напряжения в цифровой код с промежуточным преобразованием напря>кения в частоту импульсов, и может быть

Изобретение относится к области импульсной техники, в частности, к преобразователям напряжения в цифровой код с промежуточным преобразованием в частоту импульсов, Известны аналого-цифровые преобразователи, которые содержат преобразователь напряжения в частоту импульсов ПНЧ, переключатель, счетчики, генератор импульсов, триггеры и логические элементы, при этом второй из этих АЦП имеет также аналоговые вычитатель и ключ.

B первом АЦП входное напряжение Ux преобразуется в частоту Fx = К,0», которая за время Тс, преобразуется в код Nx = Fx - To.

Затем в частоту F< преобразуется опорное напряже. ЙЛ 1728968 А1 использовано в устройствах сбора аналоговой информации систем контроля и управления технологическими процессами.

Целью изобретения является повышение быстродействия и точности. Для этого в аналого-цифровой преобразователь, содержащий преобразователь напряжения в частоту импульсов, переключатель, три счетчика, регистр, три триггера, три одновибратора, два формирователя импульсов, логические элементы И или ИЛИ, введены аналоговые сумматор и вычитатель, постоянное запоминающее устройство, логический инвертор, регистр, счетчик, элементы ИЛИ и И. благодаря которым преобразование выполняется без дополнительных потерь времени и погрешностей и тем самым повышаются быстродействие и точность работы преобразования. 2 ил. ние, F<=Ê п00, и формируется временной интервал « 1х Кп0хТо 0х

Т.,,— Ê И, U Т который соответствует результату преобразования, полученному за Т,Р = Т, + Tx.

Во втором АЦП преобразование Ux и U< в частоту частично в течение Т<> совмещается во времени, что позволяет уменьшить

Тпр Для этого за время Т0/2 получается предварительный результат преобразования N<, который используется для определения начала совмещенного преобразования напряжения (U< - 0х), продолжающегося в течение Т2 до окончания Тд. Получаемый за это время код Nz вычитается из N>, В случае, 1728968 если их разность Л N = N> - Nz О, то

AN формируется интервал времени Тз =

Fo

Ux

Длительность Т2+ Тз = То, т,е. соотUo ветствует результату преобразования, который по сравнению с первым АЦП получен за меньшее время Tnp = To + Тз, 1 так как.Тз = — To д, где д — величина отно2 сительного изменения Кп в ПНЧ, и Т3 < Tx первого аналога.

Временной интервал Тз представляет собой дополнительные затраты времени на получение результата преобразования после времени То, в течение которого произведено измерение Ux.

Наиболее близким к предлагаемому является АЦП, который содержит переключатель, управлящий вход которого соединен с первым выходом первого триггера, а выход — с входом преобразователя напряжения в частоту импульсов, выход которого подсоединен к первым входам первых элементов

И или ИЛИ, выход и второй вход последнего соединены соответственно с входом первого формирователя импульсов и через первый одновибратор с выходом первого элемента И, второй вход которого подсоединен к выходу генератора импульсов и к счетному входу первого счетчика, выход переполнения которого соединен с входом второго одновибратора и с первым входом второго триггера, первый выход которого подсоединен к первому входу второго элемента И, с третьего по пятый элементы И, в первом из которых выход соединен с первым входом второго элемента ИЛИ, а в последнем из которых первый вход — с первым выходом третьего одновибратора, вход которого подсоединен к первому выходу четвертого одновибратора, второй и третий счетчики, входы младших разрядов последнего соединены с выходами шестых элементов И, первые входы которых подсоединены к выходам распределителя импульсов, и первый регистр, вход записи которого соединен через второй формирователь импульсов с первым входом третьего элемента

ИЛИ, при этом первая и вторая входные шины подсоединены к входам переключателя, третья шина — к входу четвертого одновибратора, четвертые шины — к выходам разрядов второго счетчика, пятая шина — к выходу второго элемента И, второй вход которого соединен с выходом второго одновибратора, вход которого подсоединен к второму входу первого триггера, первый вход которого соединен с первым входом

55 третьего триггера, с выходом четвертого одновибратора, с вторым входом пятого элемента И и с третьим входом первого элемента ИЛИ и с входами установки "О" кода второго и третьего счетчиков, выход переполнения последнего из них подсоединен к второму входу второго элемента ИЛИ, выход которого соединен со счетным входом второго счетчика, выход первого триггера соединен с четвертым входом первого элемента ИЛИ и с первым входом третьего элемента И, выход которого подсоединен к входу распределителя импульсов, а второй вход — к выходу ПНЧ и к первому входу четвертого элемента И, второй вход которого соединен с выходом второго триггера, а выход — со счетным входом третьего триггера, выход которого подсоединен к второму входу последнего, выход первого формирователя импульсов соединен с входом записи кода регистра, выходы разрядов которого подсоединены к вторым входам шестых элементов И,.а их входы — к выходам разрядов первого счетчика, вход установки "О" кода которого соединен с выходом третьего элемента ИЛИ, второй вход которого подсоединен к выходу пятого элемента И.

В этом АЦП перед началом очередного преобразования и после его окончания выполняется преобразование опорного напряжения Uo в частоту Fo = KnUo. Период этой частоты сравнивается с фиксированным интервалом времени to = по/f, Если

1 разность At = (to - — ) О, то величина

Fo

n = At f используется для коррекции результата преобразования Nx, При этом с каждым импульсом частоты Fx = Ко Ux результат увеличивается на величину и/по < 1, Это позволяет скорректировать суммарное число импульсов Nx в течение То.

Nx = KnUxTo(1 + и/по), Изменение Кн компенсируется величиной, полученной при суммировании пlпо, Поэтому за То получается окончательный peU x зультат преобразования Nx = То, на

0о который не оказывает изменение коэффициента Кп.

Дополнительные затраты времени после То уменьшены и сведены к двум периодам частоты Fo, Однако в эти дополнительные по сравнению с То затраты времени входной сигнал отключается от ПНЧ и прерывается на их длительность интегрирование входного сигнала, приводящее к потери информации о

его величине в эти интервалы времени; несинхронность появления импульсов Fx с на1728968

30

40

55 чалом и окончанием То приводит к неизбежной дополнительной погрешности квантования, которая может достигать величины, равной двум квантам АЦП.

Целью изобретения является повышение быстродействия и точности АЦП, Поставленная цель достигается тем, что в аналого-цифровой преобразователь, содержащий пять элементов И и переключатель, управляющий вход которого соединен с первым входом первого триггера, а выход —.с входом преобразователя напряжения в частоту импульсов, выход которого подключен к первым входам первых элементов И и

ИЛИ, выход и второй вход последнего из которых соединены соответственно с входом первого формирователя импульсов непосредственно и через первый адновибратар с выходом первого элемента

И, второй вход которого подсоединен к выходу генератора импульсов и объединен со счетным входом первого счетчика, выход переполнения которого соединен с входом второго однавибратара и с первым входом второго триггера, первый вход которого подсоединен к первому входу второго элемента И, выход третьего элемента И соединен с первым входом второго элемента

ИЛИ, первый выход пятого элемента И вЂ” с первым выходом третьего аднавибратора, вход которого подсоединен к первому выходу четвертого однавибратара, второй и третий счетчики, входы младших разрядов последнего из которых соединены с выходами шестых элементов И, первые входы котарых подсоединены к выходам распределителя импульсов, и первый регистр, вход записи када которого соединен через второй формирователь импульсов с первым входом третьего элемента ИЛИ, третий триггер отличающийся тем, что с целью повышения бытрадействия и точности, в него ведены аналоговые сумматор и вычитатель, второй регистр, четвертый счетчик, логический AHBepTop. четвертый элемент ИЛИ, с седьмого па одиннадцатый элементы И и постоянное запоминающее устройство, выходы разрядов которого подсоединены к вторым входам соответствующих шестых элементов И, входы младших и старших разрядов ьдреса — к выходам и входам разрядов второго регистра соответственна, последние из которых соединены с выходами старших разрядов второго счетчика, а вход записи адреса постоянного запоминающего устройства подключен к выходу второго элемента И и объединен со вторым входом третьего элемента ИЛИ и к выходу четвертого одновибратора, первый выход которого подсоединен к первому входу третьего элемента И и к входу второго формирователя импульсов, а второй выход — к второму входу пятого элемента И, выход которого соединен с счетным входом второго счетчика, третий вход пятого элемента И соединен с выходом генератора импульсов и объединен с первыми входами девятого и десятого элементов И, второй вход последнего из которых подсоединен к выходу логического инвертора, а выход — к счетному входу третьего счетчика, выходы старших разрядов которого соединены с входами разрядов первого регистра, вход установки

"0" — с выходом второго формирователя импульсов, а вход управления режимом вычитания — с выходом второго элемента ИЛИ, второй вход которого подсоединен к выходу четвертого элемента И, первый вход которого объединен с выходом управления режимом вычитания четвертого счетчика и соединен с первым выходом третьего триггера, второй выход которого подсоединен к первому входу четвертого элемента ИЛИ и к второму входу третьего элемента И, первый и второй входы — к выходам соответственна восьмого и седьмого элементов И, первые входы которых объединены и соединены с выходом первого формирователя импульсов, который соединен с первым входом одиннадцатого и вторым входом второго элемента И соответственно, à BTQрые входы седьмого и восьмого элементов

И подсоединены-соответственно к первому и второму выходам первого триггера, счетный вход которого соединен с первым входам первого элемента И, первый и второй входы переключателя подсоединены соответственна к выходам аналоговых сумматора и вычитателя, первые входы которых объединены и являются шиной преобразуемого напряжения, а вторые входы — объединены и являются шиной опорного напряжения, выходы разрядов первого регистра являются выходной шиной, второй выхадтретьего одновибратора является шиной "Готовность" и соединен с вторыми входами четвертого элемента И и второго триггера, второй выход последнего из которых подсоединен к второму входу один надцатого элемента И, выход которого соединен с входом установки "0" второго счетчика, при этом выход второго одновибратора подсоединен к входу записи кода второго регистра. вход логического инвертора объединен с вторым входом девятого элемента И и соединен с выходом четвертого элемента ИЛИ, входы которого, кроме первого, подсоединены к соответствующим выходам разрядов чертвертого счетчика, счетный вход которого соединен с выходом девятого элемента И, 1728968 выход третьего элемента ИЛИ соединен со входом распределителя импульсов.

В течение времени измерения То последовательно выполняются отдельные такты t преобразования, на результат каждого из которых не оказывает влияние изменение коэффициента К„преобразования ПНЧ, а суммирование результатов этих тактов за То позволяет получить окончательный результат преобразования Ux в код и не терять дополнительные временные затраты, присущие известному преобразователю на получение величины поправки от изменения К>.

Исключение этих дополнительных затрат времени позволяет выполнять непрерывно интегрирование U>< без пропусков временных интервалов между То, с окончанием каждого из которых получают новый результат преобразования. В каждом такте

ti сначала преобразуется в частоту fc напряжение U<, полученное от суммирования входного U><(t) и опорного 0О напряжений, а затем формируется частота fB от преобразования напряжения U>, получаемого от их вычитания. Длительность | равна сумме периодов двух этих частот, В связи с тем, что моменты начала и окончания То и а не могут возникать синхронно, то в результате преобразования могут иметь место дополнительные погрешности, которые уменьшаются в АЦП, благодаря вводу дополнительных средств, На фиг.1 изображена блок-схема предлагаемого АЦП; на фиг,2 — временная диаграмма его работы.

АЦП содержит входные шины 1 и 2 для преобразуемого Ux и опорного О, напряжений, шины 3 результата преобразования, шину 4 готовности, преобразователь 5 напряжения в частоту импульсов ПНЧ, переключатель 6, у которого выход соединен с первым входом при наличии управляющего сигнала и с вторым входом при его отсутствии, аналоговые сумматор 7 и вычитатель 8 напряжений, с первого по четвертый счетчики 9 — 12, первый 13 и второй 14 регистры, распределитель 15,с первого по третий триггеры 16 — 18, с первого по четвертый одновибраторы 19-22, первый 23 и второй 24 формирователи импульсов, постоянное запоминающее устройство (ПЗУ) 25, генератор 16 импульсов, логический инвертор 27, с первого по четвертый элементы ИЛИ 28-31, с первого по пятый элементы И 32-36, группу шестых элементов И 37, с седьмого по одинадцатый элементы И 38-42, Кроме того, обозначены (фиг.2) импульсы 43 — ПНЧ 5, сигнал 44 управления переключателем 6, импульсы 45 формирователя

23, сигналы 46 и 47 на выходах триггера 18, сигнал 48 на выходе элемента ИЛИ 31, сиг5

55 нал 49 на выходе инвертора 27, импульс 50 переполнения счетчика 9, сигнал 51 на выходе триггера 17, импульсы 52 и 53 записи кодов в регистр 14 и в ПЗУ 25, сигналы 54 и

55 на выводах одновибраторов 22 и 21, сигнал 56 разрешения работы элемента И 36, временные интервалы 57 работы распределителя 15, сигнал 58 включения режима вычитания в счетчике 11 и импульс 59 формирователя 24.

В АЦП шина 1 соединена с первыми входами сумматора 7 и вычитателя 8, шина

2 — с их вторыми входами, шины 3 — с выходами разрядов регистра 13, шина 4 — с вторым выходом одновибратора 21, с вторыми входами триггера 17 и элемента И 35, первый вход которого подсоединен к выходу управления режимом вычитания счетчика

12 и к первому выходу триггера 18, а выход — к второму входу элемента ИЛИ 29, первый вход которого соединен с выходом элемента

И 34, з выход — с входом управления режимом вычитания счетчика 11, у которого выходы старших разрядов подсоединены к входам разрядов регистра 13, входы младших разрядов — к выходам элементов И 37, счетный вход — к выходу элемента И 41, а вход установки "0" кода — к выходу формирователя 24 и к первому входу элемента

ИЛИ 30, выход которого соединен с входом распределителя 15, а второй вход — с входом записи адреса ПЗУ 25, с входом одновибратора 22 и с выходом элемента И 33, у которого первый вход подсоединен к первому выходу триггера 17, а второй вход — к первым входам элементов И 38, 39 и 42 и через формирователь 23 к выходу элемента ИЛИ

28, первый вход которого соединен с выходом ПНЧ 5, со счетным входом триггера 16 и с первым входом элемента И 32, а второй вход — через одновибратор 19 с выходом последнего, второй вход которого подсоединен к выходу генератора 26, к первым входам элементов И 40 и 41, к третьему входу элемента И 36 и к счетному входу счетчика 9, выход переполнения которого соединен с входом одновибратора 20 и с первым входом триггера 17, второй выход которого подсоединен к второму входу элемента И 42, выход которого соединен с входом установки "0" кода счетчика 10, у которого счетный вход подсоединен к выходу элемента И 36, а выходы старших разрядов — к входам разрядов регистра 14 и к входам старших разрядов адреса ПЗУ 25, младшие разряды из которых соединены с выходами разрядов регистра 14, вход записи кода которого подсоединен к выходу одновибратора 20, выходы ПЗУ 25 соединены с вторыми входами элементов И 37, первые

1728968

55 входы которых подсоединены к выходам распределителя 15, первый и второй выходы одновибраторов 21 и 22 соединены с первым и вторым входами элемента И 36 соответственно, вход одновибратора 21 соединен с первым выходом одновибратора

22, с входом записи кода регистра 13, с входом формирователя 24 и.с первым входом элемента И 35, второй вход которого подсоединен к второму выходу триггера 18 и к первому входу элемента ИЛИ 31, остальные входы которого соединены с выходами разрядов счетчика 12, а выход — через инвертор 26 с вторым входом элемента И 41 и с вторым входом элемента И 40, выход которого подсоединен к счетному входу счетчика 12, первый и второй входы триггера 18 соединены с выходами элементов И 39 и 38 соответственно, вторые входы которых подсоединены соответственно к второму и первому выходам триггера 16, последний из них объединен с входом управления переключателя 6, у которого первый и второй входы соединены соответственно с выходами сумматора 7 и вычитатегя 8, а выход — с входом

ПНЧ 5.

АЦП работает следующим образом:

Преобразуемое напряжение Ux (t) суммируется с опорным напряжением Uo в сумматоре и вычитается из него в вычитателе 8, на выходе которых получаются напряжения

Uc = Uo+ Ux(t) и Us = Uo - Ux(t). Эти напряжения с помощью переключателя 6 подключаются на вход ПНЧ 5, выходные импульсы 43 которого поступают на счетный входтриггера 16, а его выходной си(нал 44 управляет работой переключателя 6, Благодаря этому выполняется поочередное преобразование

Оои Ов в частоты fc = UnUc u fe = Кп Ов

Каждое преобразование Uc или Ue проходит в течение одного периода этих частот tc =

1! 1о и св = 1/тв, и длительность ц такта работы АЦП с = tc+ te, Если в ПНЧ 5 выполняется интегрирование преобразуемого напряжения и начало tj происходит в моменты времени Т, то величины получаемых частот т.t.т т т.с„. 1; т+тс в

) ", (j L (t)ä.) в

>" с

"-,.tñ, Используя отношение этих частот для каждого t такта, можно из этого выражения определить величину временного интервала tp = св — tc. ((„ г- " -- — у т+ tc+tâ

1; е (.(— — (и, (( ( о g )

В т.tc

45 откуда т . + т+1 Т+ t

r c в (ju„j»nc-ju„< ju<1-- f u,uiur(.(o -, от

Величина tp соответствует интегралу входного напряжения за время tj и на нее не оказывает влияние коэффициента Кп преобразования ПНЧ 5.

Преобразование tp в код пр и использование временных интервалов tc и св осуществляется с помощью импульсов частоты f генератора 26 np =tpf. Эти импульсы используются также для формирования времени То измерения Ux(t), что осуществляется с помощью счетчика 9, импульсы 50 переполнения которого возникают через временные интервалы То = No/f.

Так как импульсы 43 не имеют синхронизации с импульсами f, то при определении пр и в работе других узлов АЦП могут возникать погрешности и сбои в моменты взаимного перекрытия этих импульсов. Для исключения этого в момент совпадения импульсов f и 43 срабатывает элемент И 32 и его сигнал передним фронтом запускает одновибратор 19, выходной сигнал которого объдиняется с импульсом 43 в элементе

ИЛИ 28, увеличивая его длительность, По заднему фронту этого сигнала запускается формирователь 23, выходные импульсы 45 которого всегда сдвинуты относительно импульсов f, Импульсы 45 проходят через элементы

И 38 или 39 в зависимости от состояния триггера 16 на входы триггера 18 и записывают в нем код, соответствующий временному интервалу tc (при наличии сигнала 44) или интервалу св, когда преобразуется Ов.

Выходные сигналы 46 и 47 триггера 18, соответствующие интервалам tc и te, используются для управления работой других узлов АЦП, Сигнал 46, проходя через элемент ИЛИ

31, разрешает работу элемента И 40, через который импульсы f поступают в счетчик 12, образуя в нем код nc = tc f, Когда сигнал 46 снимется, сигналы разрядов, в которых записан по, проходят через элемент ИЛИ 31, образуя сигнал 48, который продолжает поддерживать работу элемента И 40. С появлением сигнала 47 в счетчике 12 включается режим вычитания и импульсы f в течение св уменьшают код по до нуля. Через время, равное сс, в счетчике 12 установится

"0" код, сигнал 48 снимается и элемент И 40 закрывается, На выходе инвертора 27 возникает сигнал 49, длительность которого tp

= св - с, так как он снят с появлением новых сигналов 46 и далее сигнала 48.

1728968

Сигнал 49 разрешает работу элемента И

41, через который на счетчик 11 поступают импульсы f и увеличивают в нем код íà np =

tp . f =(te-тс)1 в каждом такте ti работы АЦП.

Если за время То выполнено целое число К тактов ti т,е. импульсы 50 совпадают с началом первого т и с концом последнего скв этих тактов, то в счетчике 11 получен код у- I U)((E)df

"а

С учетом величины f = No/То получают

1 То где Ux(To) = f U x(t) d t — среднее

То о значение преобразуемого напряжения за

То

Л= 0о/Мо — квант АЦП, Величина Np представляет собой результат преобразования среднего значения

Ux(t) за То в код, который не содержит погрешностей от изменения Кп, В этом случае с каждым импульсом 50 можно фиксировать точный результат преобразования за прошедший шаг То и по этому импульсу начинается следующий шаг преобразования, Но фиксация результатов преобразования по импульсам 50 в общем случае может привести к дополнительным погрешностям, которые присущи известному АЦП, и они могут превышать два кванта, Эти погрешности возникают из-за того, что импульс 50 может появиться в любое время

В ТЕЧЕНИЕ ti ЧЕРЕЗ t1C ПОСЛЕ НаЧаЛа tc ИЛИ

ЧЕРЕЗ11в ПОСЛЕ НаЧаЛа te И РЕЗУЛЬтат пр ЭТОГО такта не учитывается в N>.

Для устранения этих погрешностей в

АЦП выполняется два режима его работы.

Первый режим выполняется, когда имПУЛЬС 50 ПОЯВЛЯЕТСЯ ЧЕРЕЗ ВРЕМЯ t1c В ТЕЧЕние tc (первый импульс 50, фиг,2). Для этого случая выполняемый такт ti относится к первомУ t1тактУ послеДУюЩего шага То2 Работы

АЦП. При этом резугьтат последнего tx такта выполненного шага Т,1 преобразования увеличивается на величину п>с, а результат нового первого t1 такта уменьшается на эту величину. Сама величина ngc должна соответствовать интегралу входного сигнала, палУчЕннОмУ За вРЕмЯ t1c, Второй режим выполняется, когда импульс 50 появляется через время t1e в течеНИЕ t1e В ТЕЧЕНИЕ te (ВтОРОй ИМПУЛЬС 50, фиг.2). Для этого случая выполняемый такт

ti относится к последнему ск такту выполняемого шага То1 преобразования. При этом

55 результат этого tn такта уменьшается íà величину пцв, а результат последующего шага

То2 преобразования увеличивается на эту величину. Величина nge должна соответствовать интегралу входного сигнала, полУЧЕННОМУ За ВРЕМЯ От КОНЦа т1в ДО КОНЦа в, Для получения величин ngc u nge в АЦП

ВЫПОЛНЯЕТСЯ ИЗМЕРЕНИЕ tc(te) И t1c (т1в) С ПОмощью счетчика 10, подсчитывающего импульсы за эти интервалы времени, С каждым импульсом 45, проходящим через элемент И

42, в счетчике 10 устанавливается "0" код, а затем фОРмиРУетСЯ величина nc = tc f (ne = te f).

При возникновении импульса 50 в счетчике

10 сфоРмиРован код n1c = т1с f. (n1e = t1e f), ко орый с помощью импульса 52, сформированного одновибратором 20 и сдвинутого относительно импульса 50, записывается в регистр 14. Подсчет в счетчике 10 продолжается до окончания tc (te), после чего установка в нем "0" кода не происходит, так как импульс 50 предварительно установил в "1" триггер 17 и снятие сигнала с его "0" выхода закрепила работу элемента И 42. Сигнал 51 с "1" выхода триггера 17 разрешает работу элемента И 33, через который проходит очередной импульс 45, формируя импульс 53.

Последний запускает одновибратор 2, а его импульс 54 запускает одновибратор 21 с выходным импульсом 55.

Сигналы с "0" выходов этих одновибраторов разрешают работу элемента И 36, через который импульсы 1проходят на счетчик

10 (время работы этого элемента соответствует сигналу 56). При возникновении сигналов 54 и 55 работа элемента И 36 на время их длительности запрещается. Поэтому в счетчике 10 после окончания tc (te) находится код nc(ne).

ПО ИМПуЛЬСу 53 КОДЫ П1с (П1в) И Пс(Пв) записываются в адресный регистр ПЗУ 25, в котором хранится таблица предварительно вычисленных величин п си nge и из которого эти величины считываются по кодам адреса

Пс1 И Пс(П1в И Пв).

Для расчета величин ngc и nge, записываемых в ПЗУ, используются следующие соотношения.

При выполнении первого режима работы АЦП длительностыс определяется частотой го с,+ <с

f = <„ $(u„u> ° u.)uü«„(о„и„кА

"с где 0х(1с) — среднее значение сигнала Ux(t) за время tc.

В АЦП величина К, выбирается из условия обеспечения длительности то = no/f периода частоты f при преобразовании опорного напряжения Uo, т,е, 13

1728968

fo 1

Кп=

Uo 0осо

Частота fo формируется в АЦП при преобразовании 0х = О, С учетом этой величины Кп из выражения

fc = 1/посо (Uo + 0х(сс)) можно получить величину временного инсс тервала tpc = to tc = Ux (tc) которая

U o соответствует интегралу Ux(t) за tc. Это справедливо для номинального значения

Кп, с изменением которого в tpc возникает погрешность t р . Принимается во внимание, что изменение Кп незначительно, величина ср по сравнению с to также незначительна, кроме того, сами величины

tc и со по сравнению с То, как и в известном

АЦП, не превышают одного временного кванта преобразования частоты в код. Поэтому возникновение с,г- вызывает погрешность в результате преобразования, значительно меньшую одного кванта АЦП, но величина этой погрешности должна учитываться при установлении общей точности преобразования, Полученное значение tpc позволяет определить величину интеграла Ux(t) за время с ус

t«, КатОРаЯ РаВНа — - С1с, а таКжЕ ВЕЛИсс чину пяс поправки, на которую изменяется результат преобразования текущего и последующего шагов преобразования. С учетОМ СООтНОШЕНИй no=to f; Пс=Сс f u

A1c=t1c - f ВЕЛИЧИНа Этсй ПОПРаВКИ

Ao Ac

ngc = П1с

Пс

B соответствии с этой формулой можно

ВЫЧИСЛЯТЬ ВЕЛИЧИНУ Agc ДЛЯ ВСЕХ ЗНаЧЕНИй

Пс И П1с И табЛИЦУ ЭТИХ ДаННЫХ ЗаПИСатЬ В

ПЗУ, ИЗ КОтсрОГО КОд ПОПраВКИ Agc СЧИтЫВается по кодам старших и младших разрядов адреса, соответствующим значениям пс и

П1с.

При этом, если измение Ко приводит к погрешности св= пр f, то в кодах адреса ПЗУ целесообразно иметь дискретность в и р, т.е. использовать старшие разряды кодов пс и п1,, что существенно уменьшает объем запоминающих ячеек ПЗУ из-за сокращения в этом случае количества рассчитываемых поправок ngc.

В результате проведения аналогичного анализа выполнения второго режима работы АЦП в течение интервала времени св имеют следующие соотношения;

?5

55 где Ux(ts) — среднее значение сигнала Ux(t) за время ts, откуда

1 в = 0 . (0о - Qx(ta));

0осо св

tps = ts - to = 0x(ta)

Uo

Величина, соответствующая интегРалу

Ux(t) За ИНтЕреаЛ ВРЕМЕНИ ПОСЛЕ t1В дО ОКОНСоs

ЧаНИЯ ts, РаВНа — (ta - t1s), И ВЕЛИЧИНа ПОсв правки определяется выражением

Aa Ao пцв = (пв п1в)

ns

ТаблиЦа значений Aga ДлЯ всех величин па и nle также записываетсЯ в ПЗУ, из которого считывание ngs осуществляется по кодам старших разрядов значЕний и, и п1е, как и в первом режиме работы. При этом необходимо отметить, что значения ns и и, не перекрываются, всегда пв > nc.

После записи импульсом 53 кода адреса

B регистр ПЗУ 25 на выходах его разрядов

УСтаНаВЛИВаЕтСЯ КОД ПОПРаВКИ Agc(Ags), КОторый поступает на входы элементов И 37.

Импульс 53 проходит через элемент

ИЛИ 30 и запускает распределитель 15, на выходах которого последовательно во времени появляются импульсы (пачка импульсов в течение сигнала 57). Эти импульсы проходят через те элементы И 37, которые на входах имеют "1" сигналы в разрядах кода п с(пя ), на счетные входы соответствующих разрядов счетчика 11. Благодаря этому . выполняется поразрядное суммирование ngc(nga) с кодом, находящимся в счетчике 11.

Для первого режима работы ngc суммируется с кодом, полученным в регистре 11 за

То прошедшего шага преобразования, Для втоРого Режима Работы Aga должно быть вычтено из этого кода, поэтому в счетчике 11 включается режим вычитания по сигналу 58, который образуется в элементе И 34 от сигналов 54 и 46 и проходит через элемент ИЛ И

29 на вход управления режимом вычитания.

После окончания суммирования (вычитания) код счетчика 11 записывается в регистр 13 по заднему фронту сигнала 54 и одновременно запускается формирователь

24, импульс 59 которого устанавливает "0" код в счетчике 11 и, проходя через элемент

ИЛИ 30, вновь запускает распределитель

15. Благодаря его работе в течение второго сигнала 57 для первого режима выполняется вычитание ngc в счетчике 11, так как включен этот режим сигналом 58 сформированным в элементе И 35 от сигна лов 55 и 47, а для второго режима выполня ется суммирование Age что соответствуе

1728968

10

20 записи этого кода в счетчик 11. Таким образом выполняется рассмотренная необходимость внесения поправок для двух режимов работы АЦП, Внесение этих поправок, как вначале каждого шага преобразования (ngc(ngs)),, так и через То в его конце, (п«, (п«))т+т,, позволяет учитывать интегралы Ux(t) за временные интервалы, меньше тактов t работы

АЦП, и тем самым в счетчике 11 получить код

Np, соответствующий интегралу Ux(t) за время То его измерения в каждом шаге преобразования, также как в рассмотренном случае выполнения целевого числа К тактов

1 преобразования за Т,, т.е.

Ир = Е Ор — (Яс(Я6)3 . - (Яс /83, »

Ti to

1 } у„ т,> то — u„(f)ef = —"

ПОЛУЧЕНИЕ ВЕЛИЧИНЫ flp), flgc u Ags СВЯЗано с квантованием временных интервалов, поэтому они могут иметь погрешности, которые при суммировании войдут в Np. Временной квант работы АЦП (4 = 1/f) и другие параметры преобразователя выбираются из условия, чтобы эта суммарная погрешность в результате преобразования Np не превышала одного кванта Лр результата преобразования (Л р > Л в выражении для

Np). В связи с этим в качестве результата пробразования используются старшие разряды кода Хр, С окончанием каждого шага То преобразования Ux(t) импульсом 54 код из старших разрядов счетчика 11 записывается в регистр 13, с выходов которого он передается по шинам 3, à î его готовности информирует импульс 55, передаваемый по шине 4, Таким образом в предлагаемом АЦП результат преобразования получается с окончанием каждого шага То преобразования и не требуются дополнительные затраты времени на его подготовку к следующему шагу преобразования, Поэтому в АЦП выполняются соприкасающиеся во времени шаги преобразования по То, и результаты преобразования соответствуют интегралам Ux(t) за каждый из этих шагов преобразования, что повышает его быстродействие, Благодаря использованию при формировании результата преобразования поправок п«и п«, которые соответствуют временным интЕРВаЛаМ t1c И t1s, ИМЕЮЩИМ МЕНЬШИЕ ВЕЛИчины по сравнению с временным квантом известного АЦП при преобразовании частоты в код, в АЦП можно уменьшить квант его работы и тем самым повысить его точность, Пример. Максимальная частота fm работы ПНЧ и длительность одного шага преобразования То = Nm/fm одинаковы с

55 известными максимальный преобразуемый

1 сигнал Um равен — Us. При преобразовании

Ux = Um получают Uc = 3Um и Us = Um, Если принять, что tc = 1/fm, то ts = 3/fm, tp = 2/fm и каждый такт преобразования имеет длительность ti = 4/fm.

При преобразовании Ux = 0 эти длительности равны: tc = ts = т, = 3/2fm и t = 2t< =

=3/fm.

Поэтому при различных уровнях Ux за один шаг Ts выполняется К = Т /ti тактов, число которых изменяется от

1 1 — Nm npu Ux = Um до — Nm npu Ux = 0

Получаемый в счетчике 11 код Np содержит суммарную погрешность от выполнения суммирования результатов пр всех этих тактов, а также погрешность от двух попраBOK flgc N f1gs, В известном АЦП наибольшая погрешность, возникающая из-за временного квантования при измерении частоты fx 38 То, определяется двумя квантами 1/fm. Для уменьшения этой погрешности, например, в

8 раз, т.е, для получения наибольшей погрешности, соответствующей 0,25/fm, в предлагаемом АЦП можно принять следующие распределение наибольших погрешностей: 0,1/fm — для погрешности поправок и

0,15/fm — для суммарной погрешности всех тактов ti работы, в каждом из которых наибольшая погрешность составляет два временных кванта t = 7/,. формируемых генератором импульсов. Откуда 0,15/fm =

2K/f или f = 13,3 Kfm, Это определяет соотношения между частотой работы генератора и максимальной частотой ПНЧ:

3 Nm fm = 4,4Nm fm.

13,3

С учетом величин f и соответствующей ей длительности такта т работы АЦП наибольшая погрешность в Np равна величине

0,25

f =- 0,25 4,4. Nm = 7, 7 Nm.

fm

В соответствии с этой величиной должна выбираться величина Лр и вес разряда в счетчике 11, который соответствует младшему разряду регистра 13 и кода результата Хр.

При этом для рассматриваемого примера емкость старших разрядов счетчика 11, в которых формируется код Хр, должна быть не менее 8 Nm

Временной квант 1 работы АЦП и наибольшие временные интервалы работы других счетчиков при преобразовании Ux = Um позволяет определить для этого примера их емкости.

1728968

Для счетчиков 10 и 12 эти наибольшие временные интервалы равны ts, поэтому их емкость должна быть не менее

Ns «ts f = 3f/fm = 13,2 Nm

Счетчик 11 работает в течение времени

К тактов по срь за которые подсчитано с учетом пяс и пауз Np импульсов:

NP=(K 2) (4 +2)88Nm=22йщ

Поэтому его емкость должна быть не менее этой величины. Емкость счетчика 9 определяется величиной No = Tof = Nmt/fm =4,4 Nm .

Рассмотренный пример увеличения в 8 раз точности работы известного АЦП при реализации в АЦП не вызывает каких-либо трудностей, Так для 10-разрядного АЦП с

Nm = 2, То= 20 мс и fm - 50 кГц частота

10 генератора должна быть f = 220 мГц, число разрядов в регистре результата преобразования должно быть увеличено на три по сравнению с известным, а в ПЗУ можно иметь с запасом 256 восьмиразрядных ячеек и выполнить его, например, на интегральных схемам программируемой постоянной памяти 556РТ5 и на буферном регистре

589ИР12.

Все это показывает, что в предлагаемом

АЦП достигнуто повышение быстродействия и точность работы преобразователя, Формула изобретения

Аналого-цифровой преобразователь, содержащий пять элементов И и переключатель, управляющий вход которого соединен с первым выходом первого триггера, а выход — с входом преобразователя напряжения в частоту импульсов, выход которого подключен к первым входам первых элементов И и ИЛИ, выход и второй вход последнего из которых соединены соответственно с входом первого формирователя импульсов непосредственно и через первый одновибратор — с выходом первого элемента И, второй вход которого подсоединен к выходу генератора импульсов и объединен с счетным входом первого счетчика, выход переполнения которого соединен с входом второго одновибратора.и с первым входом второго триг-ера, первый вход которого подсоединен к первому входу второго элемента И, выход гретьего элемента И соединен с первым входом второго элемента

ИЛИ, а первый вход пятого элемента И вЂ” с первым выходом третьего одновибратора, вход которого подсоединен к первому выходу четвертого одновибратора, второй и третий счетчики, входы младших разрядов последнего из которых соединены с выходами шестых элементов И, первые входы которых подсоединены к выходам

55 распределителя импульсов, и первый регистр, вход запИси, кода которого соединен через второй формирователь импульсов с первым входом третьего элемента ИЛИ, третий триггер, отличающийся тем, что, с целью повышения быстродействия и точности, в него ведены аналоговые сумматор и вычитатель, второй регистр, четвертый счетчик, логический инвертор, четвертый элемент ИЛИ, с седьмого по одиннадцатый элементы И и постоянное запоминающее устройство, выходы разрядов которого подсоединены к вторым входам соответствующих шестых элементов И, входы младших и старших разрядов адреса — к выходам и входам разрядов второго регистра соответственно, последние из которых соединены с выходами старших разрядов второго счетчика, а вход записи. адреса постоянного запоминающего устройства подключен к выходу второго элемента И и объединен с вторым входом третьего элемента ИЛИ, и к входу четвертого одновибратора, первый выход которого подсоединен к первому входу третьего элемента И и к входу второго формирователя импульсов, а второй выход — к второму входу пятого элемента И, выход которого соединен с счетным входом второго счетчика, третий вход пятого элемента И соединен с выходом генератора импульсов и объединен с первыми входами девятого и десятого элементов И, второй вход последнего из которых подсоединен к выходу логического инвертора, а выход — к счетному входу третьего счетчика, выходы старших разрядов которого соединены с входами разрядов первого регистра, вход установки

"ноль" — с выходом второго формирователя импульсов, а вход управления режимом вычитания — с выходом второго элемента ИЛИ, второй вход которого подсоединен к выходу четвертого элемента И, первый вход которого объединен с входом управления режимом вычитания четвертого счетчика и соединен с первым выходом третьего триггера, второй выход которого подсоединен к первому входу четвертого элемента ИЛИ и к второму входу третьего элемента И, первый и второй входы — к выходам соответственно восьмого и седьмого элементов И, первые входы которых объединены и соединены с выходом первого формирователя импульсов, который соединен с первым входом одиннадцатого и вторым входом второго элементов И соответственно, а вторые входы седьмого и восьмого элементов И подсоединены. соответственно к первому и второму выходам первого триггера, счетный вход которого соединен с первым входом первого элемента

И, первый и второй входы переключателя

1728968

20 подсоединены соответственно к выходам аналоговых сумматора и вычитателя, первые входы которых объединены и являются шиной преобразуемого напряжения, а вторые входы объединены и являются шиной опорного напряжения, выходы разрядов первого регистра являются выходной шиной, второй выход третьего одновибратора является шиной "готовность" и соединен с вторыми входами четвертого элемента И и второго триггера, второй выход последнего из которых подсоединен к второму входу одиннадцатого элемента И, выход которого соединен с входом установки "ноль" второго счетчика, при этом выход второго одновибратора подсоединен к входу записи кода второго регистра, вход логического инвео5 тора объединен с вторым входом девятого элемента И и соединен с выходом четвертого элемента ИЛИ, входы которого, кроме перового, подсоединены к соответствующим выходам разрядов четвертого счетчи10 ка, счетный вход которого соединен с выходом девятого элемента И, выход третьего элемента ИЛИ соединен с входом распределителя импульсов, 1728968

35.40

50

Редактор Н,Бобкова

Заказ 1414 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

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

Я ф

lg ф7

08

49

57

52

Я

5б

57

58

Составитель Л.Лукьянов

Техред М.Моргентал Корректор В.Гирняк

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