Способ аналого-цифрового преобразования и устройство для его осуществления

 

(22) (46) (71) инс (72 (56 ног

АЦ (54

О (5 те на б ро

19.03.90

30.08.93. Бюл. М 32

Всесоюзный научно-исследовательский итут электромеханики

Л.М.Лукьянов

Махнанов В.Д. и др. Устройства частоти времяимпульсного преобразования, О, с. 210.

Балакай В.Г. и др. Интегральные схемы и ЦАП. 1978, с, 72-75, рис. 1-23, СПОСОБ АНАЛОГО-ЦИФРОВОГО ПPЕАЗОВАНИЯ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО

ЩЕСТВЛЕНИЯ

Изобретение относится к импульсной нике и, в частности, к преобразователям ряжения в цифровой код, которые могут ть использованы для построения устств сбора аналоговой информации в развычислительнои технике. Целью изобретения. является повышение быстродействия.

Для этого преобразуют в частоту суммарные напряжения; сначала опорное и преобразуемое, а затем опорное и инвертированное преобразуемое, После этого преобразуют периоды этих частот в коды и вычитают еТорое из первого для получения окончательного результата преобразования.Для реализации этих операций в устройство аналого-цифрового преобразования введены аналоговый инвертор, два переключателя, триггер и элемент И. Благодаря этим операциям и введенным элементам время преобразования уменьшено до двух периодов получаемых частот и тем самым повышено быстродействие аналого-цифрового преобразования, 2 с.п. ф-лы, 3 ил. и и к ч р и н я на и л r

Изобретение относится к области имльсной техники и, в частности, к способам еобразования напряжений в цифровые ды с промежуточным преобразованием в стотный сигнал, Цель изобретения — повышение быстройствия.

На фиг. 1 изображена блок-схема устства аналого-цифрового преобразова; на фиг. 2 — схема преобразователя пряжения в частоту импульсов; на

r. 3 — временная диаграмма работы анао-цифрового преобразователя (АЦП).

АЦП содержит: 1, 2, 3 — шины преобраемого, опорного и нулевого напряжений, и 5. — шины запуска AL\fl.è готовности езультата преобразования на выходной ине 6, 7 — аналоговый инвертор, 8 — преобразователь напряжения в частоту импульсов, 9 и 10 — первый и второй переключатели, у которых первые входы соединены с выходами при отсутствии сигнала на управляющем входе, а при его наличии к выходу подсоединены вторые входы, 11 — реверсивный счетчик, 12 — счетчик, 13 — генератор импульсов, 14 и 15 — первый и второй триггеры, 16 — 19 — с первого по четвертый элементы И.

Преобразователь напряжения в частоту (ПНЧ) импульсов содержит: 20 — операционный усилитель, 21, 22 и 23 — с первого по третий резисторы, 24 — конденсатор, 25— ключ, вход и выход которого замыкаются при наличии сигнала на управляющем входе — 26 — компаратор. 27 — формирователь эталонного сигнала с фиксированными дли1837395 тельностью и амплитудой, 28 — одновибратор и 29 — элемент ИЛИ.

На временной диаграмме обозначено:

30 — импульс запуска АЦП, 31 — сигнал на первом выходе триггера 14, 32 — напряжение на выходе переключателя 10, 33 и 34— сигналы преобразуемые в частоту, последний из которых соответствует опорному напряжению, а первый — в качестве примера (Uo + Ux), 35 и 36 — импульсы с выходов одновибратора 28 и компаратора 26, 37— сигнал с второго выхода триггера 15, 38— сигнал, в течение которого разрешена работа элемента И 17, 39 — сигнал на выходе элемента ИЛИ 29, 40 — сигнал готовности результата на выходе элемента И 19, Процесс преобразования в заявляемом способе можно описать следующими выражениями. Если первое сформированное напряжение 01 =- (Uo + Ux), то при преобразовании его в частоту получим

F1 = kU1 = k(Uo +. Ux), откУДа пеРиоД t1 =

1 1 —,где k — коэффициент пре 1 00 — 0х образования напряжения в частоту. При преобразовании t1 в код п1 с помощью частоты f, которая используется для формирования фиксированного временного интервала Тф = No/f, получают результат п1=

t1

= 11 = — No.

Тф

Второе напряжение, преобразуемое в частоту F2, формируется специальным образом в течение периода тг этой частоты.

B течение t2 сначала преобразуется напряжение, равное разности (Uo — (+ Ux)) =

=(Uo — U ) до окончания фиксированного временного интервала Тф, который формируется с начала преобразования, т.е. с начала t1. Поэтому эта разность преобразуется в течение времени (Тф — т1). Затем до окончания t2 преобразуется напря>кение U<. Таким образом при формировании Fz, в течение всего ее периода t2 преобразуется опорное напряжение Vo, из которого в течение времени (Тф — t2) вычитается напряжение:" Ux, откуда

F2 = = kVo + Юх — (Тф — t1))1

1 1

12 или для одного периода t2 это уравнение примЕт вид; F2t2 =1

1(0,,+0„(Т, — t,)) =)

1 "х — — (Т -Ц Оо 1о

Преобразование t2 в код пг с помощь:о

f даст результат:

t2 пг=тг f = — КО

Тф

Окончательный результат преобразования полччэвтся пои вычитании п1 из пг, т.е.

О

Т < 1= - — - — (Т -Ц5

k((1. U,lÎ т, -u. т- ц

"o где Л- квант АЦП, равный Uo/No.

Таким образом в результате преобразования +Ux получен код х. который соответствует величине и знаку преобразуемого напряжения и на это затрачено время

Top = t1+ t2

Время Тпр равно:

= — (° — "".т, " u„

Время Тлр будет наименьшим при Ux = 0 и равным 2/kUo, а это определяет необходимый выбор Тф< 2/kUo.

Если принять, что максимальная вели1 чина преобразуемого напряжения Um= Uo

2 и Тф = 2/kUo, то время преобразования+О„

7 бУдет Равно: Т р(+Оп) = 6Тпр, а пРеобРазо30 вание -Um займет вРемЯ Tnp(Um) = 2Tnp

3 которое представляет собой наибольшее время преобразования Òm.

По сравнению с прототипом, в котором преобразование выполняется за время, вы35 бираемое из условия: Tn? N/kUm, в предла3 3 3 гаемом Tm = — Tnp = — = г Ю. 2kumm, т.е. оно существенно уменьшено, В устройстве (фиг. 1) операции способа

40 по формированию Тф, частот Г1 и F2, получению п1, пги х осуществляются соответственно с помощью счетчика, ПНЧ и реверсивного счетчика, а операции по вычитанию и суммированию Ux c Uo — с помощью

45 инвертора и входных цепей интегратора в

ПНЧ. В качестве последнего могут быть использованы различные типы преобразователей напряжения в частоту, в том числе, генераторы, управляемые напряжением, преобразователи с формированием импульсов, имеющих фиксированную вольт-секундную площадь и др., но они должны допускать скачкообразное изменение преобразуемого напряжения, которое не вызывает в преобразователе переходного процесса, требующего определенного числа периодов часготы для установления заданной точности. Например, в качестве

ПНЧ. как и в прототипе, может быть использован преобразователь, основанный на

1837395 компенсации эталонного заряда интегрирую его конденсатора преобразуемым наи яжением.

АЦП работает следующим образом. С . о ончанием очередного преобразования 5 т иггеры 14 и 15 будут установлены B исходн е состояние, а их сигналы соответственно с второго и первого выходов с помощью э емента И 19 формируют сигнал 40. Этот с гнал замыкает ключ 25 и поддерживает в 10 и ходком состоянии интегратор в ПНЧ 8, к торый выключается из работы, С приходом импульса 30 устанавливася в исходное (нулевое) состояние счетчик 11 и 12 и триггер 15, а триггер 14 15 у танавливается в "1" состояние, Сигнал 40 с имается, ключ 25 размыкается. разрешая р боту ПНЧ 8, на вход которого поступает н пряжение +0» 32, так как сигнал 31 в и реключателе 10 замыкает его выход с вто- 20 р 1м входом, подсоединенным к выходу пер ключателя 9, вход которого соединен с иной 1.

B ПНЧ 8 по снятию сигнала 40 запускае ся одновибратор 28 (через элемент ИЛИ 25

2 ), По его сигналу 35 формирователь 27 в рабатывает эталонный сигнал постоянй амплитуды и длительности, который чеез резистор 23 в конденсаторе 24 образует з ряд — Q. Этот заряд компенсируется. сум- 30

Uo „ Ux арным током 33 от + О» и Uo: !1 =— 1 2, где Ri и R2 — величины резисторов 21 и 22.

ыходное напряжение операционного усиителя сначала увеличивается, а затем 35 меньшается и в момент 11, когда происхоит компенсация зарядов - Q + 11 ti = О, оно тановится равным нулю. Компарэтор 26 рабатывает и формирует импульс 36, соотетствующий окончанию периода первой 40 астоты Fi, сформированной ПНЧ 8 и имею0 ий пер од ti — 1 о „х 1 R2

В течение ti разрешена работа элемена И 17 (сигнал 38), через который импульсы от генератора 13 поступают на вычитаюий вход счетчика 11 и образуют в нем код

1 = Nc — t1f, где Nc — емкость счетчика с 50 четом старшего знакового разряда.

По окончании т1 импульс Зб устанавлиает триггер 15 в "1". Его выходной сигнал

7 с помощью переключателя 9 подает на ход переключатели 10 и далее на ПНЧ 8 нвертировэнное напряжений +U» 32. Имульс 36 проходит через элемент ИЛИ 29 сигнал 39) и запускает вновь одновибратор

8, второй сигнал 35 которого с помощью формирователя 27 и.резистора 23 образует вновь в конденсаторе 24 заряд -Q. Этот заряд до окончания сигнала 31 компенсируетUo — ux ся токрм 121 = — + —. Сигнал 31, R1 R2 соответствующий фиксированному времени Тф, формируется счетчиком 12 и импульсами f генератора 13, проходящими через элемент И 16, работа которого разрешена триггером 14. При поступлении на счетчик

12 No импульсов, где No — есть емкость, т.е. по истечении времеки Тф = No/f наступит его переполнение и выходной импульс установитдв "0" триггер 14 и снимет сигнал 31 с выхода управления переключателем 10. На вход ПНЧ 8 с выхода переключателя 10 поступит нулевое напряжение. На вход ПНЧ 8 с выхода переключателя 10 поступит нуле- вое напряжение, а на вход операционного

Uo усилителя сигнал 34, равный 122 =, котоR1 рый будет компенсировать до куля заряд -О.

Это произойдет через t2 время, соответствующее окончанию периода второй частоты

F2, сформированной ПНЧ 8. Уравнение компенсации заряда имеет вид:

-Q + 121(Тф t1) + 122(t2 — Тф + ti) = 0

-Q + — t2 + — (Тф — ti) = 0

u. u, R1 R2 и = — — (Тф — ti). Л ux Ri

Up Up R2

В момент окончания компенсации заряда вновь срабатывает компаратор 26, его второй сигнал 36 устанавливает в "0" триггер 15. Сигнал 37 снимается и образуется сигнал 40, который информирует по шине 5 об окончании преобразования и выключает из работы ПНЧ 8, как было описано выше.

В течение времени t2 сигнал 37 разрешал работу элемента И 18, через который импульсы f генератора 13 поступали на суммирующий вход счетчика 11 и изменяли в нем код п1. 3а время t2 на вход счетчика 11 поступило п2 импульсов: и в нем образовался код

М = д "а= н

О1

1 т

0„

LI . li, е > е=ii i —,еде д

0 z

"т

L4 О, При Ri = R2 величина b, = — = — и

Гф 1 No представляет собой квант АЦП.

1037395.Uo

QR, R< Р

+ и. U,, U„ заявляемом способе, приqg, UÄ ÄR, — — — т,„

LI 0

Если,.как и в

1 нять Um =- — Uo

30 тф == — -= 2ORt/uo

"0о и учесть, что R t — К2, то

Ux Uo

"р =T

В этом случае время, затрачиваемое на преобразование Ux =- О, будет равно Тф, для 40

1 7

> U = — UO = Um ОНО Ранпо Tpp(+um) = Тф И х б при -Ux =-Un оно будет наибольшим Tnp(-Um)=

--„-- Тф.

Г учетом этих зависимостей необходимо выполнять выбор параметров АЦП. При этом для сравнительной оценки с прототипом. должно быть выполнено условие сохра- 50 нения, как у прототипа, разрешающей способности АЦП и максимальной частоты работы ПНЧ, т.е. максимального числа квантов í Хр, хогорое должны быть не менее Np, и максиглальной частоты ПНЧ, которая дол- 55 жна бьль не более Fm. По параметрам No v

Fm можно рассчитать временный квант работы АЦП 1 д, который задается частотой f и должен выбираться из условия преобразоБ счетчике 11 получен код Хр, являющийся результагом преобразования входного напряжения +Ux. При этом для+0х этот результат представлен в обычном виде, т.к. величина Nc соответствует весу старшего за 5. знаковым разрядом счетчика 11, который в

АЦП не используется и не передается по шинам 6. Для -Ux результат Хр представлен в смещенном коде, в котором "1" старшего знакового разряда показывает на отрица- 10 тельное значение преобразуемого напряжения, Код для наибольшей величины -Ux в остальных разрядах будет нулевым, а для

НаИМЕНЬШЕй ВЕЛИЧИНЫ -Ux, РаВНОй КВаНтУ

АЦП, этот код будет наибольшим с "1" во 15 всех разрядах.

Результат преобразования Хр получен за время

Тп г + г)

R, вания наименьших периодов t<(t2) в коды пi(п2) с получением их величин не менее Np.

Минимальным периодом ti(t2) соответствует Fm и она получается при преобразовании ПНЧ суммарного сигнала, образованного иэ опорного напряжения Up и максимального преобразуемого напряжения Ux = Um. откуда

1 1 (и. +Щ Р;

Поэтому

1 1 с Г4 жТО,+ U)

В АЦП с учетом принятого соотношения для Тф и при максимальной частоте ПНЧ Fm величина фиксированного временного интервала равна:

2 2(uo+Um} 3

Величина Тф формируется с помощью счетчика 12, емкость которого для этого случая должна быть равна Тф f = Зйо.

Для простоты реализации эта емкость может быть увеличена до Np = 4No, но тогда частота генератора тоже должна быть уве4 личена до fp = — Fm No, чтобы сохранить

3 величину Тф = — = — . Соответственно бур

fp Fm дет уменьшен временный квант АЦП, кото3 рый равен в этом случае tp =-. 4 ., а это, П1 уменьшит и квант результата преобразоваи. u. ния до величины Др =

R>, Rt — " р fp — 4 No 2 R2

Для АЦП с принятым соотношением Ri R2 квант Лр будет равен Ьр = Up/4Np = Um/2No, а максимальный код; соответствующий величине Ux-- Um, будет иметь величины Nm

=2Np. Поэтому емкость N = 2No счетчика 11 прототипа должна быть увеличена в заявляемом АЦП до Np = 4No.

Результат преобразования будет иметь величину: 0 О х к р z — U о ср- g о

В АЦП с этими параметрами наиболь- шее время преобразования будет равно

3 9 1

Тмакс = — Тф =- — —. В прототипе время пре2 2 Fm образования имело величины Т = МО/Fm. За1837395 р ты времени на выполнение преобразоа ия значительно уменьшены и козффици т этого уменьшения равен: — =- -Nn . Bo столько же раз повытм 2 "макс 9 но быстродействие преобразования и ь по устранению недостатка прототипа ти гнута.

Необходимо также отметить, что в предгаемом АЦП исключены погрешности ототипа, обусловленные изменением паметров О t, Qz, Ri, Rz, Из и Тл, входящих в авнение преобразования и в результат це до.ла и

У

В уравнении преобразования для заявемого АЦП эти параметры отсутствуют; .. их изменение компенсируется. а на точсть работы оказывает влияние отношение

/Р2, Поддержание стабильным этого отшения, особенно при Р1 = В2, не вызывает удностей реализации АЦП.

Количественную оценку коэффициента а, характеризующего повышение быстройствия в заявляемых технических решен ях по сравнению с прототипом, можно в полнить на примере построения АЦП с и пользованием современных отечестзенн ix интегральных схем. Например в качеств ПНЧ взять схему КР1108ПП1 с м ксимальной частотой Fm = 100 кГц, а в к честве переключающих элементов — ключ серии К590 КН2 или КТ1, имеющие время и реключения tnep = 150-30 нсек.

При построении на этих схемах 10-разрядного (Nm = 10 ) АЦП время преобразоваз ния прототипа будет равно Тп = f0 /10 = 10

3 5 л т н

R н т к Д с..

В. заявляемом АЦП выполняется преобазование в код временных интегралов t> и, длительность которых значительно менье Тп. В связи с этим время tnep переключеия в ключе и переключателях, введенных в

ЦП, оказывает влияние на точность полчения результата преобразования. Налиие tnep 0 приводит к переходным роцессам, которые изменяют ток компенации при формировании частот в ПНЧ и носит дополнительные погрешности в реультат преобразования, Для уйен ьш ения этих погрешностей веичина временного кванта работы АЦП долна выбираться большей tnåð. С запасом ожно принять соотношение tp = gtnep, при отором наибольшая дополнительная порешность от tnep будет меньше кванта АЦП.

В рассматриваемом примере построеия АЦП при использовании в качестве клюа и переключателей элементов с tnep = 50 с величина tp будет равна tp = 0,15мкс, При выборе для ПНЧ Fm - 100 кГц. соотношение р = - — -Г- не будет выполняться, что требу3

m o ет снижения Fm до величины

-6 э 5 кГц.

4 0,15 10 10

Наибольшее время преобразования будет равно

9 9

Такс = — = 0,9 мс, 2 5 10з

15 а коэффициент а = 10/0,9 - 11,1, т.е. для данного примера быстродействие АЦП повышено более чем в 10 раэ. При этом имеющиеся у ПНЧ динамические характеристики

20 полностью не использованы (Em = Fm) и

20 этот запас можно использовать для повышения быстродействия АЦП путем применения переключающих элементов с

25 меньшими tnep. Так. использование из этой серии схема КТ1 позволит еще почти в 1,7 раза повысить быстродействие АЦП.

Формула изобретения

1. Способ аналого-цифрового преобразования, заключающийся в одновременном преобразовании напряжения в частотный импульсный сигнал и в формировании фик.сированного временного интервала с последующим формированием результата

35 преобразования, отличающийся тем, что, с целью. IloBblloBHMA быстродействия при преобразовании в частотный импульсный сигнал, используют напряжение, равное сумме опорного и входного

40 напряжений, в течение первого периода. длительность которого преобразуют в первый код, после чего в течение второго периода осуществляют дополнительные последовательные преобразования в час45 тотный импульсный сигнал сначала напряжения, равного разности опорного и входного напряжений до момента окончания фиксированного временного интервала, а .затем только опорного напряжения, преобразуют длительность второго периода во второй код, а при формировании результата преобразования иэ второго кода вычи: тают первый.

2. Устройство аналого-цифрового пре55 образования, содержащее входную шину, преобразователь напряжения в частоту импульсов, первый и второй входы которого являются винами опорного и нулевого напряжений, шиной запуска является входы установки в исходное состояние счетчика и

1837395 реверсивного счетчика и первый вход пер. вого триггера, второй вход которого соединен с выходом переполнения счетчика, а первый выход — с первыми входами первото и второго элементов И, второй вход первого из которых соединен с выходом генератора импульсов, а выход — со счетным входом счетчика, выходы второго и третьего элементов И соединены соответственно с вычитающи.м и суммирующим входами реверсивного счетчика, выходы которого являются шиной результата преобразования, ° о т л и ч а ю щ е е с я тем, что в него введены аналоговый инвертор, первый и второй переключатели, второй триггер и четвертый элемент И, причем входной шиной является первый вход первого переключателя и вход инвертора, выход которого соединен с вторым входом первого переключателя, шиной нулевого напряженйя является первый вход второго переключателя, второй вход которого соединен с выходом первого переключателя, управляющий вход соединен с первым выходом первого триггера, а выход — с третьим входом преобразователя напряже5 ния в частоту импульсов, четвертый вход которого является шиной готовности результата и подключен к выходу четвертого элемента И. а выход подключен к счетному входу второго триггера, вход установки ко10 торого объединен с первым входом первого триггера, первый выход — соединен с первым входом четвертого элемента И и с вторым входом второго элемента И, а второй выход — с управляющим входом первого пе15 реключателя и с первым входом третьего элемента И, второй вход которого объединен с третьим входом второго элемента И и подключен к выходу генератора импульсов, а второй выход первого триггера соединен

20 с вторым входом четвертого элемента И.,, Редактор

Составитель В. Махнанов.

Техред М.Моргентал Корректор М,Самборская. Заказ 2871 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035 Москва, Ж-35 Ра шская наб. 4 5

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