Аналого-цифровой преобразователь

 

Изобретение относится к электроизмерительной технике и может быть использовано в многоканальных измерительных приборах и системах. Целью изобретения является повышение точности и расширение области применения за счет использования в многоканальных устройствах. Цель достигается тем, что в устройство, состоящее из компаратора, генератора импульсов, элемента И, счетчика и генератора пилообразного напряжения, дополнительно введены п-1 компараторов, где п - число каналов преобразователя, генератор шума, аналоговый сумматор, второй счетчик и многоканальный цифровой усреднитель. За счет одновременного сравнения входных сигналов в каждом канале с пилообразным эталонным напряжением и параллельной записью результатов преобразования в многоканальный цифровой усреднитель в последнем за один период сетевой помехи и m-циклов преобразования образуются благодаря усреднению цифровые значения измеряемых сигналов каждого канала с высокой точностью. 1 з.п. ф-лы, 2 ил. ел с

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (si)s Н 03 M 1/46

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕ

ВЕДОМСТВО СССР (ГОспАтент сссР) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ!

С»

О

Ql бд

С»

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4885879/24 (22) 26,11,90 (46) 15,04.93. Бюл. N. 14 (71) Всесоюзный научно-исследовательский институт электроизмерительных приборов (72) Э.П,Тихонов и А.А,Фремке (56) Авторское свидетельство СССР

М 1451858, кл. Н 03 М 11//4466, 1986, Авторское свидетельство СССР

М 1234611, кл. Н 03 М 1/56, 1984. (54) АНАЛОГО-ЦИФРОВОЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬЬ (57) Изобретение относится к электроизмерительной технике и может быть использовано B многоканальных измерительных приборах и системах, Целью изобретения является повышение точности и расширение области применения за счет использоИзобретение относится к электроизмерительной технике и может быть использовано в многоканальных измерительных приборах и системах.

Целью изобретения является повышение точности аналого-цифрового преобразования при воздействии периодической и случайной помехи и расширение функциональных возможностей устройства.

Сущность изобретения заключается в следующем. Известно, что интегрирующие . АЦП имеют в десятки и сотни раз меньшее быстродействие по сравнению с обычными.

АЦП, например, построенными по алгоритму поразрядного уравновешивания. Поэтому переход на многоканальный интегрирующий АЦП по схеме коммутатор—

АЦП приводит к значительному увеличению времени многоканального интегрирующего аналого-цифрового преобразования из-за

„„ Ж „„1809530 А1 вания в многоканальных устройствах. Цель достигается тем, что в устройство, состоящее из компаратора, генератора импульсов, элемента И, счетчика и генератора пилообразного напряжения, дополнительно введены п-1 компараторов, где и — число каналов преобразователя, генератор шума, аналоговый сумматор, второй счетчик и многоканальный цифровой усреднитель. За счет одновременного сравнения входных сигналов в каждом канале с пилообразным эталонным напряжением и параллельной записью результатов преобразования в многоканальный цифровой усреднитель в последнем за один период сетевой помехи и rn-циклов преобразования образуются благодаря усреднению цифровые значения измеряемых сигналов каждого канала с высокой точностью. 1 з,п. ф-лы, 2 ил. последовательного преобразования в каждом канале.

В предлагаемом изобретении время многоканального преобразования сокращается в и раз за счет того, что за один цикл времяимпульсного преобразования, то есть за один период работы ГПМ, в многоканальный цифровой усреднитель записывается результат преобразования по всем и каналам.

Времяимпульсный метод преобразования не обеспечивает высокую помехоустойчивость относительно помех нормального и общего видов, поэтому для повышения помехоустойчивости и тем самым точности аналого-цифрового преобразования за период сетевой помехи (помехи нормального вида) необходимо произвести m-кратное преобразование и усреднение в каждом канале по алгоритму .

1809530

Uxo, То, с Urn " 2 Л дх) — —,I,, N = ч —, дп) = — —, n)„=Uo no mN

AN =ANAT— л 2д

Г гт(r — определяется величиной нестабильности частоты сетевого напряжения; ф — сумма шума, .воздействующего на

ГПН и шума квантования.

Представим синусоидальную функцию в виде

sin ((во + A в ) (R g I + (I — 1 ) N + Йц ) )=

=sin((N. +AN)(R(I +(I — 1) N)) 45

x { g N Qm s l n ((No + A)) ) ) x хй +(I 1)М+@>)+4)>

1 m

Ucpi= —, >, Uxl

m )=1 где Uxi — входное напряжение в i-M канале

АЦП; 5

m - число циклов преобразования за период помехи;

Ucpl рЕЗуЛЬтат ИНтЕГрИруЮщЕГО пре05разования в (-м канале, Время преобразования A t в каждом цикле и число циклов преобразования, m должно выбираться из равенства

T()= At m где Т, — период следования синусоидальной помехи. 15

Для времяимпульсного преобразования аналоговой величины в код e I-ом цикле преобразования для j-го канала время преобразования с учетом воздействия шума на

ГПН определяется из уравнения — - = Ux) + Um sin (No + AN) x о т()

То х (t» + (I — 1 ) Tp ) ф) где Up — максимальная амплитуда ГПН, равная максимально-допустимому значению 25 входного сигнала; .То — период следования ГПН (время цикла одного преобразования);

t» — время преобразования в j-м цикле для /-го канала; . 30 41 — входное напряжение в j-м канале, которое остается постоянным за время T; .

Um — амплитуда помехи нормального вида; . во = 2 л!То — номинальное значение 35 частоты сетевого напряжения;

Ьв — отклонение частоты сети от номи.- нального значения;. (ц — шум, воздействующий на ГПН, причем ф = ф для всех j, 40

Выражая время преобразования тц через квантованные значения, после усредне- . ния в J-м канале по m выборкам, получим

g (R(; +Ril) = — Д х

m (=1. =1 — тз где Rl= — — математическое ожидание цифрового эквивалента входного сигнала;

At - период следования сигналов генерато а импульсов 9; (— случайное отклонение цифрового эквивалента входного сигнала от математического ожидания из-за воздействия шумов; С0$ ((й)о + Ай)) Aц)+

+ c0s ((во + A в ) (R ф I + (.I — 1 ) N ) ) $1П ((й)о +AN) Йц ) л

Так как величина (в, + Л в )R» мала, то

СОЗ((В, + ЛNo) ф) = 1 И

sin((Nоo+Лво )R(I)=(No+Лв )йЦ поэтому

1,.г ддп)

R(I + —., A» Q N + —, х (т) l— = 1 i 1

x(sin((ш. + Л&, (Р,) (1-1)М)

+(cos((Np + Ь в )f Rzl+(i-1)N))((No + Лв )4() так как

1 m д,п -Р

M{ —,), R»)=M{ —, х гл )=1 гп (=1

x{sInf(No + Ьв Щ+(1-1)Ях((во + Лв)8@=0 где M — оператор математического ожидания, то

RI1A )1)+ — g xIII((в. + A(v gR +(-1)N))

m 1 (Второе слагаемое определяет величину относительной погрешности из-за воздействия помехи нормального вида. Подставим ее в следующем виде или д m 1 = g SIn(Q+/3 . (I-1.))=sin(i=1

П ), ++1)) Р

1809530 где а =2л(- — — — )- --;P = 2 т(- —,— — }

r+1 R, r+1

m=256, R)/N 1, то

Так как 50<г <100, cosec =1 и

«д

y = — 2 7т(— +m Щ 2г

) т(— + — )=

1 1

m г

10 з2л (1+ 2 )(1+

Если нестабильность сетевой частоты

«дщ

15 отсутствует, то y = — 2 л . Из последнез го равенства следует, что погрешность нормального вида убывает очень быстро с увеличением выборки m. Наличие нестабильности частоты сетевого напряжения приводит к увеличению погрешности, однако это увеличение незначительно.

Все вновь введенные в устройство элементы и блоки широка известны и используются по своему прямому назначению, проявляя при этом каждый в отдельности известные свойства. Однако, взятые в совокупности вновь введенные элементы и элементы прототипа проявляют новое свойство — повышение точности аналогоцифрового преобразования при воздействии периодической и случайной помехи и расширение функциональных возможностей устройства, что позволяет широко ис- 35 пользовать предлагаемое устройство в высокоточных многоканальных измерительных системах, Это новое свойство не повторяет ни одно из известных свойств отличительных признаков и не является их 40 суммой, Каждый из введенных элементов, отдельно взятый; необходим для достижения положительного эффекта, а все они вместе взятые, с учетом их взаимосвязей и связей 45 между ними и элементами прототипа достаточны, чтобы отличить предлагаемое устройство от других устройств подобного назначения и характеризовать его в том качестве, которое проявляется в повышении точ- 50 ности аналого-цифрового преобразования при воздействии периодической и случайной помехи и возможности использовать его для многоканальных измерений.

На фиг.1 представлена блок-схема предлагаемого устройства; на фиг.2 — одна из возможных реализаций многоканальнога цифрового усреднителя.

Устройство содержит компараторы 1, первые входы которых соединены с входными сигналами, вторые входы соединень с выходом блока аналогового сумматора 2. первый вход его соединен с выходом генератора шума 3, второй вход соединен с выходом генератора пилообразного напряжения 4, вход которого соединен с первым выходом счетчика 5 и с первым входом многоканального цифрового усреднителя 6, вторые входы которого с первого по и-ый соединены с выходами компараторов

1. третий вход соединен с первым входом счетчика 5, первым входом счетчика 7 и с входом устройства "Пуск", выходы многоканального цифрового усреднителя 6 соединены с выходом всего устройства; второй вход счетчика 5 соединен с выходом схемы 8 "И", первый вход которой соединен с выходом генератора импульсов 9, второй вход соединен с выходом счетчика 7, второй вход счетчика 7 соединен с вторым выходом счетчика 5.

Многоканальный цифровой усреднитель.б (фиг.2) содержит и цифровых сумматоров 10 и и-регистров 11, где n — число каналов устройства. Первые входы цифровых сумматоров 10 соединены с первым выходом счетчика 5, вторые входы соединены с соответствующими выходами регистров

11, первые и входов которых соединены с соответствующими выходами и компараторов 1, вторые входы соединены с выходами цифровых сумматоров 10 и вторые выходы соединены с выходом устройства.

Аналого-.цифровой преобразователь работает следующим образом.

Импульсом "Пуск" сбрасываются счетчики 5 и 7, разрешая прохождение на счетный вход счетчика 5 через схему "И" 8 импульсов от генератора импульсов 9, и обнуляется многоканальный цифровой усреднитель 6, Выход счетчика 5 подключен к входу генератора пилообразного напряжения 4, представляющий цифроаналоговый преобразователь. С выхода генератора пилообразного напряжения 4 снимается линейно изменяющееся напряжение, начальное значение которого равно нулю (счетчик 5 обнулен), а конечное значение равно предельному значению входного напряжения, Это напряжение суммируется в аналоговом сумматоре 2 с напряжением от генератора шума

3 и подается на первые входы компараторов .

1-1п, на вторые входы которых. подаются входные напряжения U>-U>. В момент равенства входного напряжения 0> i-ro канала выходному напряжению аналогового сумматора

2 i-ый компаратор изменит свое состояние и перепишет соответствующее кодовое значение этого напряжения Ох с выхода счетчика

5 в многоканальный цифровой усреднитель 6, где в 1-ом цифровом сумматоре 10 просум 80жзо мирчзтся с результатом предыдущего измерения, записанного в регистре 11. При первом измерении с нулем.

Таким образом, после первого такта измерения в многоканальном цифровом усреднителе 6 будут записаны кодовые значения входных напряжений по всем и каналам преобразователя. Счетчик 5, досчитав до конца, обнуляется, импульсом переноса записывает единицу в счетчик 7 и начинается второй такт измерения, аналогичный первому, Число тактов измерения, или объем выборки задаются объемом счет чика 7, который, досчитав до конца через схему "И" 8 запрещает подачу на счетный вход счетчика 5 импульсов и выдает команду

"Конец преобразования",.

Таким образом эа счет одновременного сравнения входных сигналов в каждом канале с пилообразным эталонным напряжением и параллельной записью результатов преобразования в многоканальный цифровой усреднитель в последнем за один период сетевой помехи и m-циклов преобразования образуются благодаря усреднению цифровые значения измеряемых сигналов каждого канала с высокой помехоустойчивостью и тем самым с большей точностью.

Фо рмула изобретения

1. Аналого-цифровой преобразователь, содержащий компаратор, первый вход которого является первой входной шиной генератора импульсов, выход которого соединен с первым входом элемента И, выход которого соединен с входом первого счетчика, и генератор пилообразного напряжения, отличающийся тем,что.с целью повышения точности и расширения области применения путем обеспечения возможности использования в многоканальных устройствах, в него дополнительно введены п компараторов, где п — число каналов преобразователя, генератор шума, ана5 логовый сумматор, второй счетчик и многоканальный цифровой усреднитель, причем первые входы и-1 компараторов являются соответственно и-1 входными шинами, вторые входы всех компараторов

10 объединены и соединены с выходом аналогового сумматора, первый вход которого соединен с выходом генератора шума, второй вход — с выходом генератора пилообразного напряжения, входы которого объединены с

15 первыми входами многоканального цифрового усреднителя и соединены с первыми входами первого счетчика, второй выход которого соединен с первым входом второго счетчика, выход которого соединен с вто20 рым входом элемента И, второй вход является шиной "Пуск" и объединен с вторым входом первого счетчика и с вторым входом многоканального цифрового усреднителя, . третьи входы которого соединены с соответ25 ствующими выходами п компараторов, а выходы являются выходной шиной.

2. Преобразователь по и. 1, отличающийся тем, что многоканальный цифровой усреднитель выполнен на и цифровых сум30 маторах и и регистрах, первые выходы которых являются соответствующими выходами многоканального цифрового усреднителя, первые входы — соответствующими третьими входами многоканального цифрового ус35 реднителя, вторые входы и вторые выходы соединены с соответствующими выходами и первыми входами и цифровых сумматоров соответственно, вторые входы которых являются первыми входами многоканального

40 цифрового усреднителя, 1809530

2.Р и

Составитель Э.Тихонов

Техред M.Moðãåíòàë Корректор М.Куль

Редактор

Заказ 1291 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

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

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