Аналого-цифровой преобразователь

 

Изобретение относится к импульсной технике, и в частности - к преобразователям напряжения в цифровой код с промежуточным преобразованием напряжения в частоту импульсов, и может быть использовано в устройствах сбора аналоговой информации Изобретение относится к импульсной технике, в частности к преобразователям напряжения в цифровой код с промежуточным преобразованием в частоту импульсов, и может быть использовано в устройствах сбора аналоговой информации систем контроля и управления, Е ыполняемых на средствах вычислительной техники. Известен аналого-цифровой преобразователь (АЦП). Этот АЦП содержит преобразователь напряжения в частоту (ПНЧ), соединенный выходом со входом цифрового частотомера 1. В АЦП с преобразованием напряжения в частоту, кроме ПНЧ, имеются систем контроля и управления, выполняемых на средствах вычислительной техники. Недостатком известного и близкого по технической сущности и решаемой задаче аналого-цифрового преобразователя (АЦП) является то, что в нем изменение входного сигнала за время его преобразования приводит к дополнительным погрешностям в результате преобразования. Целью изобретения является повышение точности преобразователя .АЦП содержит преобразователь напряжения в частоту импульсов, ключ, переключатель , счетчик, цифроаналоговый преобразователь, формирователь импульсов , логические элементы И и ИЛИ и блок управления. Новым является введение счетчика , регистра, второго формирователя импульсов , управляемого делителя напряжений, аналогового сумматора, триггера , двух одновибраторов и трех элементов И, благодаря которым в АЦП влияние на результат преобразования изменения входного сигнала во время его преобразования сведены к минимуму итем самым повышена точность его работы. 1 з.п. ф-лы. 3 ил. два счетчика, генератор импульсов, триггер и логические элементы 2. Эти АЦП имеют функцию преобразования X FX То k Ux To, где k - коэффициент преобразования ПНЧ. Их недостаток состоит в том, что погрешности k и Т0 влияют на результат преобразования X. Указанный недостаток устранен в АЦП принятом в качестве прототипа и содержащем первый счетчик, преобразователь напряжения в частоту импульсов, выход которого соединен с первым входом блока управления, аналоговый ключ, информационный вход которого является шиной преобСО С XI CJ О х| ю hO ю

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 (61) 1679632 (21) 4839490/24 (22) 15.06.90 (46) 30.04.92. Бюл. N 16 (71) Всесоюзный научно-исследовательский институт электромеханики (72) Л.М. Лукьянов (53) 681,325 (088,8) (56) 1. Прянишников В.А. Интегрирующие цифровые вольтметры постоянного тока. Л.:

"Энергия",1976, с, 169.

2. Балакай В,Г, и др, "Интегральные схемы АЦП и ЦАП. M.: Энергия, 1978, с, 69 — 75, рис. 1-23.

3. Авторское свидетельство СССР

N 1679632,,кл. Н 03 M 1/60, 28.4.89, (54) АНАЛОГО-ЦИФРОВОЙ П Р Е О Б РАЗОВАТЕЛЬ (57) Изобретение относится к импульсной технике, и в частности — к преобразователям напряжения в цифровой код с промежуточным преобразованием напряжения в частоту импульсов, и может быть использовано в устройствах сбора аналоговой информации

Изобретение относится к импульсной технике, в частности к преобразователям напряжения в цифровой код с промежуточным преобразованием в частоту импульсов, и может быть использовано в устройствах сбора аналоговой информации систем контроля и управления, E bll10JlHsleMblx на средствах вычислительной техники, Известен аналого-цифровой преобразователь (АЦП), Этот АЦП содержит преобразователь напряжения в частоту (ПНЧ), соединенный выходом со входом цифрового частотомера (1). В АЦП с преобразованием напряжения в частоту, кроме ПНЧ, имеются

„„SU ÄÄ 1730722 А2 систем контроля и управления, выполняемых на средствах вычислительной техники, Недостатком известного и близкого по технической сущности и решаемой задаче аналого-цифрового преобразователя (АЦП) является то, что в нем изменение входного сигнала за время его преобразования приводит к дополнительным погрешностям в результате преобразования. Целью изобретения является повышение точности преобразователя.АЦП содержит преобразователь напряжения в частоту импульсов, ключ, переключатель, счетчик, цифроаналоговый преобразователь, формирователь импульсов, логические элементы И и ИЛИ и блок управления. Новым является введение счетчика, регистра, второго формирователя импульсов, управляемого делителя напряжений, аналогового сумматора, триггера, двух одновибраторов и трех элементов

И, благодаря которым в АЦП влияние на результат преобразования изменения входного сигнала во время его преобразования сведены к минимуму и тем самым повышена точность его работы, 1 з.п. ф-лы, 3 ил. два счетчика, генератор импульсов, триггер и логические элементы (2).

Эти АЦП имеют функцию преобразования Х = F< То = k Ох То, где k — коэффициент преобразования ПНЧ, Их недостаток состоит втом,,что погрешности k и Т0 влияют на результат преобразования Х, Укаэанный недостаток устранен в АЦП. принятом в качестве прототипа и содержащем первый счетчик, преобразователь напряжения в частоту импульсов, выход которого соединен с первым входом блока управления, аналоговый ключ, информационный вход которогоявляется шиной преоб1730722 разуемого напряжения, а управляющий вход соединен с первым выходом блока управления, аналоговый переключатель, первый информационный вход которого является шиной опорного напряжения и обьединен с первым входом цифроаналогового преобразователя, второй информационный вход соединен с выходом последнего, а управляющий вход — с вторым выходом блока управления, третий выход которого соединен с входом первого формирователя импульсов, выход которого подсоединен к первому входу первого элемента

ИЛИ, второй вход которого является первой интерфейсной шиной и соединен с четвертым выходом блока управления, пятый выход которого подсоединен с первому входу первого элемента И, выход которого соединен со счетным входом первого счетчика, а второй вход — с выходом второго элемента

ИЛИ, выход первого элемента ИЛИ соединен с входом установки "0" кода первого счетчика, вход управления режимом вычитания которого подсоединен к второму выходу блока управления и к первому входу второго элемента ИЛИ, выходы разрядов— к соответствующим входам цифроаналогового преобразователя, которые являются шиной результата преобразования, входзаписи кода — к третьему выходу блока управления, второй выход которого является второй информационной шиной, первый выход соединен с вторым входом второго элемента ИЛИ, а первый и второй входы преобразователя напряжения в частоту импульсов соединены соответственно с выходами аналогового ключа и аналогового переключателя.

При этом блок управления выполнен на сдвигающем регистре, генераторе импульсов, одновибраторе, формирователе импульсов, элементах И и ИЛИ, выход последнего из которых является вторым выходом блока, первый вход через одновибратор соединен с выходом элемента И, первый вход которого подключен к выходу генератора импульсов и является третьим выходом блока, второй вход обьединен со вторым входом элемента ИЛИ, через формирователь импульсов подключен к первому выходу сдвигающего регистра и является четвертым выходом блока., первым выходом которого является второй выход сдвигающего регистра, первый и второй входы которого является соответственно первым и вторым входами блока.

Прототипом является устройство по авт,св, N 1679632 (3).

Исключение влияния на результат преобразования изменения параметров АЦП, Целью изобретения является повышение точности преобразования, Поставленная цель достигается тем, что в аналого-цифровой преобразователь, содержащий первый счетчик, преобразователь напряжения в частоту импульсов, выход которого соединен с первым входом блока управления, аналоговый ключ, информационный вход которого является шиной преобразуемого напряжения, а управляющий вход соединен с первым выходом блока управления, аналоговый переключатель, первый информационный вход которого является шиной опорного напряжения и объединен с первым входом цифроаналогового преобразователя, второй информационный вход соединен с выходом последнего, а управляющий вход — с вторым выходом блока управления, третий выход которого соединен с входом первого формирователя импульсов, выход которого подсоединен к первому входу первого элемента ИЛИ, второй вход которого является первой интерфейсной шиной и соединен с четвертым выходом блока управления, пятый выход ко40

55 достигается за счет выполнения преобразования сначала разности Uo = Up Ux в частоту f1 = k U<, а затем напряжения, равного U1"

fo

5 f1

4, в частоту fz = k U1, которая преобраfo Un Uo Ux зуется в код п2— т2 М

4ля формирования результата преобразования код вычитается из кода, равного

10 Uo Uх

, и получается X = представляющий собой точный результат преобразования Ох в кодс квантом 4П.

Но прототип имеет недостаток, состоящий в наличии дополнительных погрешностей, обусловленных измерением Ux только в течение t133 время преобразования Тп = t1 -:

+ tz, длительности которых зависят от величины преобразуемого сигнала.

В связи с тем что за время Тп интегриРованиЯ Ux выполнЯетсЯ только в течение t1, а в период t2 формируется результат преобразования без измерения Ux, информация о величине Ux в течение t2 теряется. Поэтому в АЦП вЂ” прототипе будут возникать дополнительные погрешности при изменении

Ux(t) со скоростью, большей чем квант

Ь, за Тп, Получаемый результат будет соответстВОВатЬ СРЕДНЕМУ ЗНаЧЕНИЮ 0х(t) За ВРЕМЯ С1, а не за Тл. Величина дополнительной погрешности определяется средним значением переменной составляющей Ux(t) за время

1730722

55 торого подсоединен к первому входу первого элемента И, выход которого соединен со счетным входом первого счетчика, а второй вход — с выходом второго элемента ИЛИ, с целью повышения точности, введены управляемый делитель напряжения, аналоговый сумматор, второй счетчик, триггер, регистр, два одновибратора, второй.формирователь импульсов и с второго по четвертый элементы И, первый и второй входы последнего из которых соединены соответственно с BTopblM и пятым выходами блока управления, а выход — с счетным входом второго. счетчика, вход установки "0" кода которого подсоединен к шестому выходу блока управления, а выходы разрядов — к соответствующим первым входам управляемого делителя напряжения, второй вход которого объединен с первым входом аналогового. переключателя, а выход соединен с первым входом аналогового сумматора, второй и третий входы которого подсоединены к выходам соответственно аналоговых ключа и переключателя, а выход — к информационному входу преобразователя напряжения в частоту импульсов, первые выходы разрядов регистра подключены к соответствующим вторым входам цифроаналогового преобразователя, входы разрядов — к выходам соответствующих разрядов первого счетчика, вход записи кода — к третьему выходу блока управления, а вторые выходы разрядов регистра являются шиной результата преобразования, входы разрядов подключены к соответствующим входам группы входов второго элемента ИЛИ, первый и второй входы которого подсоединены к выходам "0" и "1" соответственно первого и второго старших разрядов первого счетчика, входы установки "0" которых соединены с выходом второго формирователя импульсов, вход которого соединен со входом записи кода регистра и с первыми входами второго и третьего элементов И, вторые входы которых соединены соответственно с первым и вторым выходами первого одновибратора, а выходы — соответственно с первым и вторым входами триггера, последний из которых объединен с первым входом второго одновибратора, а выход триггера соединен с третьим входом первого элемента ИЛИ, первый вход которого является второй.интерфейсной шиной и объединен со вторым входом второго одновибратора, выход которого соединен с входом первого одновибратора, выход первого элемента

ИЛИ является третьей интерфейсной шиной, третий вход первого элемента И соединен с первым выходом блока управления, 5

35 второй и третий входы которого являются четвертой и пятой интерфейсными шинами.

При этом блок управления выполнен на делителе числа импульсов, триггере, генераторе импульсов, двух формирователях импульсов, двух одновибраторах, двух элементах И и трех элементах ИЛИ, выход первого из которых является третьим выходом блока, первый вход соединен через первый одновибратор с выходом первого элемента И, а второй вход объединен с первым входом первого элемента И, с первыми входами второго элемента И, триггера и делителя числа импульсов и соединен с выходом первого формирователя импульсов, вход которого является первым входом блока, пятым выходом которого является второй вход первого элемента И, который соединен с выходом генератора импульсов, первым выходом блока является первый выход триггера, второй выход которого является вторым выходом блока и соединен со входом второго одновибратора, выход которого является четвертым выходом блока, а второй вход триггера является шестым выходом блока и через второй формирователь импульсов соединен с выходом второго элемента ИЛИ, первый вход которого подсоединен к выходу второго элемента И, второй вход подключен к выходу делителя числа импульсов, второй вход которого соединен с выходом третьего элемента ИЛИ, первый и второй входы которого являются соответственно вторым и третьим входами блока, второй вход третьего элемента ИЛИ объединен со вторым входом второго элемента И, Поставленная цель достигается тем, что в отличие от прототипа результат преобразования получается в каждом t такте работы

АЦП с непрерывным интегрированием входного сигнала U>p), Это исключает потери времени t2 на выполнение второго такта работы АЦП и связанные с ними дополнительные погрешности в результате преобразования. Длительность ti каждого такта равна периоду частоты fi, которая получается при преобразовании специально сформированного сигнала Оц, включающего опорное напряжение Uo и разность преобразуемого .напряжения Ux и напряжения, соответствующего результату преобразования Х;-<, полученному в предыдущем tl > такте, Длительностью; преобразуется в код N; который вычитается из Х -<, благодаря чему, получают результат преобразования, соответствующий среднему значению Ux(t) за время т.

1730722

10

50

Для исключения влияния на Х дрейфа параметров АЦП с очень низкой частотой или по внешней команде выполняется один такт t< с преобразованием U< в частоту fH u

1, в N„. Разность пц между получаемой величиной N< и номинальным значением 2Np преобразуется в напряжение U<, которое участвует в формировании 0ц и позволяет свести к минимуму погрешности для каждого результата Хь

На фиг,1 и 2 приведены блок-схема АЦП и блока управления, на фиг.3 дана временная диаграмма их работы.

Преобразователь содержит шину 1 преобразуемого напряжения Ux, шину 2 опорного напряжения U<, шины 3 результата преобразования; с первой по пятую интерфейсные шины 4 — 8, по которым передаются соответственно сигналы о выполняемой настройке, о готовности результата преобразования, о недостоверности этого результата, запрета выполнения настройки и внеочередного выполнения настройки, аналоговый ключ 9, информационный вход и выход которого закорочены при наличии сигнала на управляющем входе; аналоговый переключатель 10, выход которого соединен с первым информационным входом при наличии сигнала на управляющем входе и со вторым входом при отсутствии этого сигнала; преобразователь 11 напряжения в частоту импульсов (ПНЧ); аналоговый сумматор

12; цифроаналоговый преобразователь (ЦАП) 13 и управляемый делитель напряжения 14; первый и второй "четчики 15, 16, регистр 17, первый 18 и второй 19 формирователи импульсов, триггер 20, первый 21 и второй 22 одновибраторы; с первого 23 по четвертый 26 элементы И; первый 27 и второй 28 элементы ИЛИ, блок управления 29.

Блок управления (фиг.2) содержит триггер 30, делитель 31 числа импульсов, генератор 32 импульсов; первый 33 и второй 34 формирователи импульсов, первый 35 и ВТорой 36 одновибраторы; первый 37 и второй

38 элементы И, с первого 39 по третий 41 элементы ИЛИ, На фиг,3 обозначено: импульсы 42 с выхода ПНЧ.11; импульсы 43 с выхода делителя 31; сигналы 44 и 45 на интерфейсных шинах 7 и 8; сигнал 46 с второго выхода триггера 30; сигнал 47 на интерфейсной шине 5; сигналы 48 и 49 на первых выходах одновибраторов 22 и 21; сигнал 50 на интерфейсной шине 4; сигнал 51 на выходе элемента ИЛИ 28; импульсы 52 и 53 — на первом и втором входах триггера 20; сигнал 54 на выходе последнего; сигнал 55 на интерфейсной шине 6.

Аналого-цифровой преобразователь содержит шину 1, которая соединена через ключ 9 с вторым входом сумматора 12, шину

2, которая соединена с первыми входами

ЦАП 13 и переключателя 10 и с вторым входом делителя 14, шины 3, которые соединены с вторыми выходами регистра 17, шину

4, которая соединена с четвертым выходом блока 29 и с вторым входом элемента ИЛИ

27, шину 5, которая соединена с первым входом элемента ИЛИ 27, с вторым входом

15 одновибратора 22 и с выходом формирователя 18,шину 6, которая соединена с выходом элемента ИЛИ 27, шины 7 и 8, которые соединены с вторым и третьим входами блока 29, первый вход которого подсоединен к выходу ПНЧ 11, вход которого соединен с выходом сумматора 12, первый и третий входы которого подсоединены соответственно к выходам делителя 14 и переключателя 10, второй и управляющий входы которого соединены соответственно с выходом ЦАП 13 и с вторым выходом блока 29, который обьединен с первым входом элемента И 26, первый выход блока 29 подсоединен к управляющему входу ключа 9 и к третьему входу элемента И 23, первый вход которого соединен с пятым выходом блока

29 и с вторым входом элемента И 26, выход которого подсоединен к счетному входу счетчика 16, выходы которого соединены с первыми входами делителя 14, вход установки "0" — с шестым выходом блока 29, третий выход которого подсоединен к входам формирователей 18 и 19, к первым входам элементов И 24 и 25 и к входу записи регистра 17, первые выходы которого соединены с вторыми входами ЦАП 13, а входы разрядов — с выходами соответствующих разрядов счетчика 15 и с группой входов элемента ИЛИ 28, первый и второй входы которого подсоединены к выходам "0" и "1" соответственно первого и второго старших разрядов счетчика 15, входы установки

"0" которых соединены с выходом формирователя 19, а счетный вход счетчика 15 соединен с выходом элемента И 23, второй вход которого подсоединен к выходу элемента ИЛИ 28, вторые входы элементов И 24 и 25 соединены соответственно с первым и вторым выходами одновибратора 21, а их выходы соответственно с первым и вторым входами триггера 20, второй вход триггера 20 объединен с первым входом одновибратора 22, выход кото рого подсоединен к входу

1730722

10 одновибратора 21, а выход триггера 20 соединен с третьим входом элемента

ИЛ И 27.

Блок 29 выполнен на триггере 30, делителе 31 числа импульсов, генераторе импульсов 32, двух формирователей импульсов 33 и 34, двух одновибраторах 35 и 36, двух элементах И 37 и 38 и трех элементах ИЛИ 39, 40 и 41, причем первый вход блока соединен с входом формирователя 33, второй и третий входы — соответственно с первым и вторым входами элемента ИЛИ

41, последний из которых объединен с вторым входом элемента И 38., первый и второй выходы блока соединены соответственно с первым и вторым выходами триггера 30, последний из которых подсоединен к входу одновибратора 36, третий выход блока соединен с выходами элемента ИЛИ 39, четвертый выход — с выходом одновибратора 36, пятый выход — с выходом генератора 32 и вторым входом элемента И 37, шестой выход — с выходом формирователя 34 и с вторым входом триггера 30, первый вход которого подсоединен к выходу формирова-. теля 33, к первым входам элементов И 37 и

38, к второму входу элемента ИЛИ 39 и к первому входу делителя 31, второй вход которого соединен с выходом элемента ИЛИ

41, а выход — с вторым входом элемента

ИЛИ 40, выход которого подсоединен к входу элемента И 37, первый вход — к выходу элемента И 38, а выход элемента И 37 через одновибратор 35 соединен с первым входом элемента ИЛИ 39.

АЦП работает следующим образом.

Преобразователь ПНЧ 11 преобразует в частоту сигнал с выхода сумматора 12. Если, например, ПНЧ 11 имееттоковый вход относительно нулевого потенциала, то сумматор

12 можно выполнить на резисторах, подключенных к его выходу и преобразующих входные напряжения в сумматорный входной ток 1с, который преобразуется в частоту.

Импульсы 42 этой частоты поступают в блок

29, где с помощью формирователя 33 из их передних фронтов формируются короткие импульсы, которые подаются на вход делителя 31, имеющего большую величину йф коэффициента деления числа поступающих импульсов, Через значительное время на выходе делителя 31 появляется импульс 43, по которому выполняется такт н настройки

АЦП. Проходя через элемент ИЛИ 40, импульс 43 запускает формирователь 34, устанавливающий код "0" в счетчике 16 и в триггере 30. Сигнал 46 с второго выхода последнего разрешает работу элемента И

26 и подключает с помощью переключателя

10 опорное напряжение 0о к сумматору 12.

Снятие сигнала с первого выхода триггера

30 отключает с помощью ключа 9 напряжение 0> от сумматора 12. Поэтому в течение

5 сигнала 46 с выхода последнего на вход

ПНЧ 11 поступает ток IH = . который

Uo R преобразуется в частоту 4н = B качестве

Сн

10 примера можно принять, что ПНЧ работает на основе компенсации зарядов, В этом случае формируемый в ПНЧ 11 эталонный заряд q компенсируется зарядом от н

15 преобразуемого сигнала, т,е. q = f !нбс = 1н о .t„, Период t„N„с использованием частоты. f генератора импульсов 32: Мн = tH f. который получается в

20 счетчике 16.

B АЦП приняты следующие соотношения:

Uo=2Um 0m=No%, Uxm =Um- A=

= (No ") где Лн — квант АЦП; U xm — наибольшая величина U . Временной квант работы АЦП

t = 1/f выбирается из условия, чтобы при номинальной величине qo величина тно = to=

= 2Npt, т.е. t = tp/2No, при этом имеет место

30 запас, позволяющий уменьшить погрешности временного квантования при преобразовании временных интервалов в коды.

В ПНЧ текущее значение q может отличаться от qp из-за временного и температур35 ного дрейфа параметров. Величина этого дрейфа значительно меньше qo, поэтому н.g = to+ tg и Мн — 2йо+ пд, to + tg

ng«2No, Bq= 3 Iscl t

40 о

В связи с этим емкость счетчика 16 имеет величину, равную наибольшему значению пд.

После окончания tH по коду п в делителе 14 образуется выходное напряжение Ug=

Uo

ng = ng Гь т.е. он имеет квант, о равный кванту АЦП.

Настройка АЦП состоит в том, что изменение q ПНЧ преобразуется в сигнал Uq, который используется в качестве корректирующего в процессе дальнейших преобразований. При этом, если выполнять преобразование сигнала IH.g = — (Uo+ Щ

R о 9 в частоту, то для ПНЧ получим

1 н 1

q = f (Uo+Ug)tIt =R(Uo+Ua) tH.g о

1730722

12 или ц = (2Ко+пц)Ло t g

При выполнении настройки в ПНЧ 11 выполняется равенство:

q = R Uo (то + тц ) = R 2 Мо Лп (2 йо + пц ) Е

Из этих двух уравнений получим

1 сн.g = 2Not = tp или q = (Uo + Ug ) lp

R 10

Такт настройки выполняется по импульсам 43 с очень малой частотой, определяемой временным и температурным дрейфом параметров АЦП. Выполнение такта настройки может быть запрещено. Для этого 15 по интерфейсной шине 7 подается сигнал

44, который проходит через элемент ИЛИ 41 и выключает на его длительность из работы делитель 31. В АЦП настройка может быть выполнена в любое время по сигналу 45 20 шины 8. Он разрешает работу элемента И

38, через который первый приходящий импульс с выхода формирователя 33, как ранее импульс 43, включит такт tH. Сигнал 45 проходит также через элемент ИЛИ 41 и уста- 25 навливает в исходное состояние делитель

31.

С окончанием сн импульс формирователя 33 установит в "1" триггер 30, сигнал 46 снимается и запускается одновибратор 36, 30 который передает в интерфейсную шину 4 импульс 50, информирующий о выполненной настроке. Сигнал с первого выхода триггера 30 подключает с помощью ключа 9 входное напряжение Ux на вход сумматора 35

12, на другие входы которого поданы с помощью переключателя 10 напряжение 0» с выхода ЦАП 13, так как сигнал 46 на его управляющем входе отсутствует, и напряжение Ug с выхода делителя 14. Поэтому при 40 работе АЦП в каждом такте с ПНЧ 11 выполняется преобразование сигнала 1 = — (0(t)+

R

U»+ Ug) в частоту 1, В ПНЧ 11 компенсация заряда q происходит током li за время т, т.е, 45

lj = f (ux(t)+u,+u,)at= о

1 — — (Ux (ti ) + Ок + Ug 1ti где Ux(tj) — среднее значение Ux(t) за ti, 50

Ux(tj) = — f Ux(t) б t т

Напряжение U» в ЦАП 13 формируется 55 по коду, снимаемому с "0"-х выходов разрядов регистра 17. В этом регистре хранится код Х -1, полученный в предыдущем такте t -1 преобразования Ux(t). Поэтому в ЦАП 13 выполняется преобразование инверсного кода (й;Х -1 — 1) в напряжение, при этом ЦАП

13 имеет на один старший разряд больше числа разрядов регистра 17; а также дополнительный младший разряд с весом, соответствующим кванту ЦАП. и АЦП.

На старший и дополнительный младший разряды ЦАП 13 сигналы управления не подаются, т,е. соответствующие им напря1 Uo жения — Оо и Лл — 2 „„все время

2 1о суммируются с напряжением, получаемым от преобразования инверсного код Х -1, Поэтому величина О» с учетом этого будет равна:

0» — — Оо + п + А (Л(о — Х; — 1 — 1 )—

=Uo — Х вЂ” 1 А а условие компенсации зарядов в ПНЧ 11 примет вид р = — (Ux(С )+Uo Xi — 1 Ло+Ug)ti

Разность Ux; = Ux (т; ) — Х вЂ” Q представляет собой приращение среднего значения сигнала Ux(t) за время t; по сравнению с его значением за tj-). Используя это значение Оы и выражение для q с значениями Оо, Оц и tp, можно уравнение компенсации зарядов записать в следующем виде:

1 1 (Up + Ug ) tp — — (0 х + Uo + Ug ) ti откуда длительность периода tj частоты, получаемой на выходе ПНЧ 11. будет равна

to— х î Ug

Uхi о

=- о

ux„+u +u

В течение ti импульсы генератора 32, 1 2 No имеющего частоту f = — =, проходят

Со через элемент И 23 на счетный вход счетчика 15, который работает в режиме вычитания, и уменьшают находящийся в нем код

Хь1 на величину

Ni =1г1 д-, 2 No =

u. +u xi +0o+0g

U xi 2 No

Охi +Uо+Оц

Эту величину можно представить в следующем виде:

Uх!

Nj =2Np — " +nBj =2Np — Х;+пд; =

=2 No — X(С )+Х вЂ” 1 +nд

Uxi Ux ti где Х i = — „-— и Х(т.) = — числа, соответствующие средним значениям при13

1730722

14 величина Ni = 2No, и по окончанию ti в счетчике 15 и в регистре 17 будет вновь получен кодХь1предыдущеготакта, Если BXi- имела место погрешность и д и, т.е. Х -1 = Х(ть1)5 -пд ь1, то в т эта погрешность будет скомпенсирована, а полученный результат Xi будет соответствовать средним значениям Ох(т-1)=

= ux(ti) с погрешностью, равной n6z:

=х;

15 пд — 1 +п пА =пд; — 1

p+ng

Так как в АЦП максимальное значение

Х(т ) не должно превышать значения (Np-1), то код результата преобразования Х = х (ti)— п ; будет находиться в младших разрядах счетчика 15 (во всех разрядах, за исключением двух старших), из которых он записывается в регистр 17. Эта запись кода Xi 25 осуществляется импульсом, проходящим через элемент ИЛИ 39 с выхода формирователя 33. Этот же импульс запускает формирователь 18, выходной импульс 47 которого передает по шине 5 информацию о получе- 30 нии нового результата преобразования, Для исключения записи в регистр 17 недостоверного кода, который может быть в момент переходного процесса в счетчике 15 при совпадении импульса записи с подсчи- 35 тываемыми импульсами f, в блок 29 введены одновибратор 35, элементы И 37 и ИЛИ 39, При совпадении указанных импульсов по переднему фронту импульса с выхода элемента И 37 запускается одновибратор 35, 40

Его выходной сигнал объединяется с импульсом от формирователя 33 и он сдвигает запись. кода Х; в регистр 17 на время переходных процессов в счетчике 15.

После записи кода Х; в регистр 17 с 45 помощью формирователя 19 устанавливаются в "0" два старших разряда счетчика 15 и тем самым в нем фиксируется код Xi, как и в регистре 17. Из последнего код Xi передается по шинам 3 результата преобразова- 50 ния, Таким образом, за время t; получен результат преобразования Xi, соответствующий среднему значению Ux(t) за это время, но с погрешностью пд;,зависящей от сред- 55 ней величины изменения сигнала 1.4, Для случая, когда Ох = О, время преобразования этого такта будет равно то и погрешность и Х; будет отсутствовать, а ращения в величине сигнала Ux(t) за время

t;, а погрешность п Oi будет равна;

U,i йВ

Л н +u +u

Величина N; больше Х -1, которая находилась в счетчике 15 до начала ti à X(t;) < Np, поэтому в течение ti при вычитании М; из Xi-1 произойдет уменьшение кода счетчика 15 до нуля и далее будет заем единицы из стаоших разрядов, веса первого и второго из которых равны 2Np и Np, а емкость счетчика

15 равна 4Np. К окончанию ti в счетчике 15 будет получен код:

Xci = 4Np + Xi-1 — 2йо + X(ti) - Xi-1 - ng; =

=2Np+ X(ti) - пд.

По сравнению с пд ь1 величина nDz этой погрешности существенно уменьшена.

В общем случае при работе АЦП могут иметь место Uxi-1 и uxi а также погрешности пд ь1 и пд в Xi-1 и Хь Поэтому величина погрешности в ti такте работы АЦП будет равна: д; = (Х; + пд;-1) пд; — 1 +X;+ng и — 1 + i+2 Ко+ п9

Таким образом, в каждом ti такте будут формироваться результаты Хь при этом соответствующие разности средних значений сигнала Ux(t) за ь1 и ti, т,е. изменение 0 влияет на т и в Xi может быть погрешность д i,êîòîðàÿ зависит от этого изменения.

Взаимосвязь Х с погрешностью д; позволяет определить, например, при какой величине Х погрешность результата преобразования не будет превышать единицы. при д!« 1 и пд — 1 < 1:(Xi + 1)"

Х +п +1

Х +2 Np+ и +1 или(X ) +(ng+ 1) X i-2Np < О. Откуда х," (-— "- 2 — ) + 2 и.

Так как величина-пп значительно меньше 2N To с запасом можно принять Xi

=1,4 / Ио

Это означает, что при изменении среднего значения входного, сигнала за ti no сравнению со средним значением за с-1 на величину Uxjp = 1,4 \/ Np Ь в результате преобразования Х; погрешность д; не будет превышать одного кванта.

Для наихудшего случая, когда в ть1 и т напряжение Ux(t) изменяется с одинаковой скоростью, ее величина .не должна превы1 шать — UXIH, Если же приращение Ux(t) о происходит только в ti, то скорость изменения сигнала может быть в 2 раза выше, так

1730722

45

Сигнал недостоверности 55 в следую-! щем ti+1 также будет снят, если Uxi+> не превышает Uxi<, когда импульс записи кода Xi+> пройдет через элемент И 24 (импульс 52) и установит в "О" триггер 20.

В случае, когда импульс 53 формируется в течение сигнала 48, для исключения возможного перекрытия этим сигналом начала нового тн-1такта импульс 53 устанавливает в

"О" одновибратор 22, обеспечивая правильную его работу в ti+> такте.

t как в этом случае Uxi не будет превышать

Uxis.

Превышение скорости изменения 4(т) в течение ti этих величин приведет к дополнительным погрешностям в результате пре- 5 образования Х. В связи с тем, что длительность ti незначительно отличается

I от to и эти отличия зависят от величины Uxi, то это можно использовать в качестве признака, с помощью которого определяется 10 наличие этих погрешностей. Для этого в

АЦП введены одновибраторы 21 и 22, триггер 20 и элементы И 24 и 25, с помощью которых формируется информация о наличии этих погрешностей. 15

Одновибратор 22 запускается формирователем 18, его выходной сигнал 48 имеет длительности to>, которая выбирается из условия, что при совпадении окончания то1 и ti в Х /д /» 1. По окончании сигнала 48 за- 20 пускается одновибратор 21, имеющий выходной сигнал 49 с длительностью toz, которая выбирается из условия, что при совпадении окончания тог и ti в Х также

/д /» 1 . Таким образом, если окончание ti 25 происходит в течение сигнала 49, то в Xi

/д /S 1, а при окончании т до или после этого сигнала /д /> 1. С окончанием ti импульс записи кода Х; в регистре 17 одновременно подается и на входы элементов

И 24 и 25, работа которых разрешается соответственно сигналом 49 и его инверсным сигналом с ".О"-ro выхода одновибратора 21, Для рассмотренных случаев /д;/> 1 этот импульс пройдет через элемент И 25 (им- 35 пульс 53) и установит в "1" триггер 20, выходной сигнал 54 которого проходит через элемент ИЛИ 27 на шину 6 (сигнал 55), информируя о недостоверном результате Х;.

По этой шине передаются также сигналы 50 40 после выполнения tH настройки, а также сигналы 47 о временных интервалах, когда имеет место переходной процесс на шинах 3 при записи нового кода X в регистр 17, В АЦП предусмотрено также исключение недостоверного результата преобразования Xi, который может иметь место при преобразовании Ux = О и наличии величины

I (Uxi > Uxig, приводящей к отрицательному результату Х < О, а также к недостоверному результату Хн-1, Для этого в АЦП предусмотрен режим останова счета импульсов f в счетчике 15 при получении в нем хода Х, соответствующего 0< = О и имеющего "О" во всех разрядах, кроме первого старшего с кодом "1". При достижении этого кода сигнал 51 с выхода элемента ИЛИ 28 снимается и запрещается работа элемента И 23. С окончанием этого такта работы АЦП в регистр 17 будет записан код "О", а импульс формирователя 19 устанавливает в "О" старший разряд счетчика 15 и сигнал с его "О"-го выхода вновь восстанавливает сигнал 51, разрешающий дальнейшую работу элемента И 23 при наличии в счетчике 15 всех кодов, кроме Х .

В АЦП каждый такт ti получения Х занимает время, приблизительно равное t и соответствующее максимальной частоте работы ПНЧ 11. Это время почти в 3 раза меньше времени преобразования Тл прототипа. Поэтому при выполнении сравнительной оценки точностных характеристик АЦП с прототипом целесообразно уровнять их времена преобразования to = Tn Если это реализовать в АЦП, то максимальная частота работы ПНЧ 11 должна быть снижена до величины 1/Тл, что обеспечивается выбором величины резисторов в сумматоре 12.

Соответственно должна быть снижена также частота f генератора 32. При этом условии оценка положительного эффекта, получаемого в АЦП, будет занижена, но это упрощает выполнение проводимого сопоставительного анализа, При условии, что и в данном АЦП, и в прототипе скорость изменения Ux(t) за время преобразования одинакова и равна Uxi =

L4 —,погрешности в результате преобраТп зования будут различны. В предложенном

АЦП погрешность не будет превышать hn, а в прототипе для наихудшего случая при

Ux = О, когда Тл = 3 to, дополнительная погрешность по напряжению будет достигать величины U д = 7L4.

Скорость изменения Ux(t), при которой в АЦП погрешность не будет превышать

Л п,равна Ux = — 1,4 " No Л и

t.o

Отсюда можно определить величину у<

1730722

10

1 1 — н Uo = — 1,4 r No А и при Тп = to

Т н = 1,4 No А =0,7

0о Йо

Для этого случая в АЦП по сравнению с прототипом погрешность уменьшена в Р раз, p = — - -@- =

Количественную оценку повышения точности в этом АЦП по сравнению с прототипом для рассмотренного случая можно получить на примере построения 10-разрядного АЦП с No = 2, в котором сохранены Тп и Ло = 2 „прототипа. Величинами= 0,46

Uo

2 йо

" 2 = 14,7, т.е, точность в этом случае будет повышена более чем в 14 раз, Формула изобретения

Аналого-цифровой преобразователь, содержащий первый счетчик, преобразователь напряжения в частоту импульсов, выход которого соединен с первым входом блока управления, аналоговый ключ, информационный вход которого является шиной преобразуемого напряжения, а управляющий вход соединен с первым выходом блока управления, аналоговый переключатель, первый информационный вход которого является шиной опорного напряжения и объединен с первым входом цифроаналогового преобразователя, второй информационный вход соединен с выходом последнего, а управляющий вход — c вторым выходом блока управления, третий выход которого соединен с входом первого формирователя импульсов, выход которого подсоединен к первому входу первого элемента ИЛИ, второй вход которого является первой интерфейсной шиной и соединен с четвертым выходом блока управления, пятый выход которого подсоединен к первому входу первого элемента И, выход которого соединен со счетным входом первого счетчика, а второй вход — с выходом второго элемента ИЛИ, о т л и ч а ю шийся тем, что, с целью повышения точности, в него введены управляемый делитель напряжения, аналоговый сумматор, второй счетчик, триггер, регистр, два одновибратора, второй формирователь импульсов и с второго по четвертый элементы И, первый и второй входы последнего из которых соединены соответственно с вторым и пятым выходами блока управления, а выход — со счетным входом второго счетчика, вход установки "0" кода которого подсоединен к шестому выходу блока управления, 25

55 а выходы разрядов — к соответствующим первым входам управляемого делителя напряжения, второй вход которого объединен с первым входом аналогового переключателя, а выход соединен с первым входом аналогового сумматора, второй и третий входы которого подсоединены к выходам соответственно аналоговых ключа и переключателя, а выход — к информационному входу преобразователя напряжения в частоту импульсов, первые выходы разрядов регистра подключены к соответствующим вторым входам цифроаналогового. преобразователя, входы разрядов — к выходам соответствующих разрядов первого счетчика, вход записи кода — к третьему выходу блока управления, а вторые выходы разрядов регистра являются шиной результата преобразования, входы разрядов подключены к соответствующим входам группы входов второго элемента ИЛИ, первый и второй входы которого подсоединены к выходам

"0" и "1" соответственно первого и второго старших разрядов первого счетчика, входы установки "0" которых соединены с выходом второго формирователя импульсов, вход которого соединен со входом записи кода регистра и с первыми входами второго и третьего элементов И, вторые входы которых соединены соответственно с первым и вторым выходами первого одновибратора, а выходы — соответственно с первым и вторым входами триггера, последний из которых объединен с первым входом второго одновибратора, а выход триггера соединен с третьим входом первого элемента ИЛИ, первый вход которого является второй интерфейсной шиной и объединен с вторым входом второго одновибратора, выход которого соединен с входом первого одновибратора, выход первого элемента ИЛИ является третьей интерфейсной шиной, третий вход первого элемента И соединен с первым выходом блока управления, второй и третий входы которого являются четвертой и пятой интерфейсными шинами.

2. Преобразователь по п.1, о т л и ч а юшийся тем, что блок управления выполнен на делителе числа импульсов, триггере, генераторе импульсов, двух формирователях импульсов, двух одновибраторах, двух элементах И и трех элементах ИЛИ, выход первого из которых является третьим выходом блока, первый вход соединен через первый одновибратор с выходом первого элемента

И, а второй вход объединен с первым входом первого элемента И, с первыми входами второго элемента И, триггера и делителя числа импульсов и соединен с выходом пер19

1730722

50

55 вого формирователя импульсов, вход которого является первым входом блока, пятым выходом которого является второй вход первого элемента И, который соединен с выходом генератора импульсов, первым выходом блока является первый выход триггера, второй выход которого является вторым выходом блока и соединен со входом второго одновибратора, выход которого является четвертым выходом блока, а второй вход триггера является шестым выходом блока и через второй формирователь импульсов соединен с выходом второго элемента ИЛИ, первый вход которого подсоединен к выходу второго элемента И, второй вход подклю5 чен к выходу делителя числа импульсов, второй вход которого соединен с выходом третьего элемента ИЛИ, первый и второй входы которого являются соответственно вторым и третьим входами блока, второй

10 вход третьего элемента ИЛИ обьединен со вторым входом второго элемента И.

1730722