Аналого-цифровой преобразователь с промежуточным преобразованием в частоту

 

Изобретение относится к импульсной технике, 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 испытаний изделий и управления технологическими процессами. Целью изобретения является повышение быстродействия за счет исключения дополнительных затрат времени на коррекцию результата преобразования. АЦП содержит преобразователь напряжения в частоту импульсов, три ключа, цифроаналоговый преобразователь, управляемый генератор, четыре счетчика, одновибратор, триггер, два формирователя импульсов, логические элементы И и ИЛИ, блок управления. Новым является введение двух переключателей, операционного усилителя, конденсатора, резистора и одновибратора, благодаря которым совмещаются во времени подстройка АЦП, коррекция результата преобразования и измерение входного напряжения, дополнительных затрат времени по сравнению с временем измерения входного напряжения не требуется и тем самым повышается быстродействие преобразователя. 1 з. п. ф-лы, 4 ил.

Изобретение относится к импульсной технике, в частности к аналого-цифровым преобразователям (АЦП) с промежуточным преобразованием напряжения в частоту импульсов.

Цель изобретения - повышение быстродействия.

На фиг. 1, 2 и 3 приведены блок-схемы АЦП, его блока управления и управляемого генератора; на фиг. 4 - временная диаграмма работы АЦП.

АЦП содержит шины входного 1 U_x и опорного 2 U_o напряжений, шину 3 синхронизации АЦП, входные и выходные интерфейсные шины 4, шины 5, 6 результата преобразования, преобразователь 7 напряжения в частоту импульсов (ПНЧ), цифроаналоговый преобразователь (ЦАП) 8, управляемый генератор 9, с первого по четвертый счетчики 10-13, регистр 14, с первого по третий ключи 15-17, в которых вход соединяется с выходом при наличии сигнала на управляющем входе, первый 18 и второй 19 переключатели, у которых выход соединяется с первым входом при наличии сигнала на управляющем входе и с вторым входом при его отсутствии, операционный усилитель 20, конденсатор 21, резистор 22, первый 23 и второй 24 одновибраторы, триггер 25, первый 26 и второй 27 формирователи импульсов, с первого по пятый 28-32 элементы И, первый 33 и второй 34 элементы ИЛИ, блок 35 управления.

Блок управления (фиг. 2) содержит счетчик 36, блок 37 сравнения кодов, делитель 38 числа импульсов, с первого по третий триггеры 39-41, первый 42 и второй 43 формирователи импульсов, c первого по третий элементы И 44-46, элемент ИЛИ 47.

Управляемый генератор (фиг. 3) содержит компаратор 48, источник 49 тока, делитель 50 напряжения, конденсаторы 51, 52, ключи 53, 54, формирователи 55, 56 импульсов, элемент ИЛИ 57.

АЦП работает следующим образом.

Время измерения Т_и входного напряжения U_х формируется по коду q, получаемому по входным интерфейсным шинам 4, с помощью синхронизирующих импульсов 58, имеющих частоту f_c. Эти импульсы подсчитываются счетчиком 36, и при получении в нем кода q срабатывает блок 37 сравнения. По его выходному сигналу формирователь 42 вырабатывает импульс 59, который соответствует окончанию предыдущего и началу очередного такта измерения U_x, имеющих длительность Т_и = q/f_c.

Информация об окончании очередного Т_и передается по одной из выходных интерфейсных шин 4 сигналом 61 с выхода элемента ИЛИ 47. Сигнал 61 отсутствует при нулевом коде в счетчике 36, и в это время допускается смена задания на величину Т_и путем изменения кода q в интерфейсных шинах 4.

Импульсы 58 используются в АЦП для подстройки, во-первых, частоты генератора 9, формирующего временной квант работы t_п = 1/f_п, и, во-вторых, величины коэффициента К_п преобразования в ПНЧ 7. Благодаря выполнению этих подстроек обеспечиваются следующие соотношения: f_п = n_of_o и f_o = pf_c, где f_o - частота ПНЧ 7 при преобразовании опорного напряжения U_o, а T_и= q/f_c= qp/f_o= n_opq/f_п и f_п = n_opf_c.

Подстройка f_п под f_c выполняется с помощью генератора 9, который может быть выполнен по схеме на фиг. 3. В нем делитель 50 напряжения состоит из трех резисторов, два из которых, включенных между U_o и общей шиной, имеют величины сопротивлений, значительно превышающие величину сопротивления третьего резистора, подсоединенного к выходу ключа 54. Входами генератора 9 являются опорное напряжение U_o, подаваемое на делитель 50 и источник 49 тока, вход для изменения частоты, соединенный через формирователь 55 с управляющим входом ключа 54, и вход синхронизации, соединенный с входом элемента ИЛИ 57, а выходом f_п - выход формирователя 56. В генераторе 9 импульсы синхронизации с помощью ключа 53 разряжают конденсатор 51. После этого напряжение на нем начинает увеличиваться от тока заряда источника 49. Это напряжение сравнивается компаратором 48 с напряжением на выходе делителя 50, зашунтированного конденсатором 52. По достижении равенства этих напряжений компаратор 48 срабатывает и запускает формирователь 56, его импульс проходит через элемент ИЛИ 57. Процесс повторяется, на выходе генератора 9 возникают импульсы f_п. Величину частоты f_п можно уменьшить путем увеличения напряжения на конденсаторе 52, подавая на него дополнительный заряд от U_o с помощью ключа 54. При его импульсном включении затем в течение длительного времени на конденсаторе 52 поддерживаются измененный уровень напряжения и измененная частота f_п.

Для поддержания величины f_п = n_opf_с с помощью счетчика 13, имеющего емкость n_op и подсчитывающего импульсы генератора 9, начиная с момента установки в нем нулевого кода импульсом 68, сформированным из импульса 58, прошедшим через элемент ИЛИ 34, до его переполнения, формируется интервал времени Т_с= n_op/f_п . В этот момент сигнал с его старшего разряда снимается и запускает одновибратор 23. Выходной импульс 71 этого одновибратора разрешает работу элемента И 29, на второй вход которого поступают импульсы 60, сформированные из импульсов 58 элементами И 44 и ИЛИ 47, среди которых первый импульс после начала Т_иотсутствует, так как в это время в АЦП выполняется подстройка К_п и Т_с≠ n_op/f_c.

Если импульсы 60 и 71 перекрываются, что соответствует неравенству Т_с < 1/f_с или f_п > n_opf_c, на выходе элемента И 29 появляется сигнал, который запускает формирователь 55, и частота уменьшается. Подстройка f_п заканчивается при отсутствии совпадения импульсов 60 и 71, когда генератор 9 имеет частоту f_п = n_opf_c.

Подстройка К_п выполняется в начале каждого Т_и. Для этого импульс 59 устанавливает в "1" триггер 39, а его сигналы 62 с нулевого выхода с помощью ключей 15 и 16 отключают от ПНЧ 7 напряжение U_х и подключают U_o. Сигналы 62 с первого выхода триггера 39 разрешают работу элемента И 45, через который проходит первый импульс 72 из импульсов формирователя 43, сформированных по импульсам f_o = K_пU_o 67 ПНЧ 7, и устанавливает в "1" триггер 41 (сигнал 63). Сигнал с его нулевого выхода снимается и устанавливает в исходное состояние делитель 38 импульсов, а импульс 72 проходит через ИЛИ 34 и устанавливает такое же состояние в генераторе 9 и в счетчике 13. С этого момента без каких-либо потерь времени начинаются подсчет импульсов f_п в последнем и пересчет импульсов формирователя 43 делителем 38, имеющим коэффициент деления S ≥ 1. Выбор величины S осуществляется из условия обеспечения требуемой точности подстройки К_п при наличии ограничений на динамические характеристики используемой в АЦП элементной базы. Последний из S импульсов формирователя 43 появляется на выходе делителя 38 и проходит через элемент И 46, импульс 73 которого устанавливает в "0" триггеры 39 и 41, сигналы 62 и 63 которых снимаются.

За время сигнала 63, имеющего длительность t_и = S/f_o, в счетчик 13 поступает n_s импульсов f_п, n_s = t_иf_п = Sf_п/f_o. Емкость младших разрядов, включая средний разряд, счетчика 13 равна N_s = Sn_o. Поэтому при равенстве f_o = f_п/n_o через время t_и сигнал 69 с выхода среднего разряда счетчика 13 снимается и запускается одновибратор 24. Совпадение его импульса с импульсом 73 означает выполнение этого равенства и правильность настройки: t_н = S/f_o = Sn_o/f_п; K_п= f_o/U_o= f_п/n_oU_o= pn_of_c/n_oU_o= pf_c/U_o Сигнал 70 с нулевого выхода одновибратора 24 разрешает работу элемента И 32, на второй вход которого подается импульс 73, а выход соединен со счетным входом счетчика 10. Для случая равенства f_o = f_п/n_oимпульс 73 через элемент И 32 не проходит и в счетчике 10 код не изменяется.

По этому коду в ЦАП 8 формируется сигнал, используемый для изменения К_п ПНЧ 7 и подаваемый с помощью ключа 17 на его второй вход. При этом, если ПНЧ 7 выполнен, например, по схеме компенсации заряда интегрирующего конденсатора, то напряжение U_o, а затем и U_x, подключается к его первому входу и далее через резистор с величиной сопротивления R к входу операционного усилителя, имеющего конденсатор в цепи обратной связи. Вход этого операционного усилителя является вторым токовым входом ПНЧ 7, на который в течение фиксированного интервала времени t_э подаются ток -Т_э от внутреннего источника напряжения и ток Т_п от ЦАП 8, подключаемый ключом 17. Заряд -q = (I_п - I_э)t_э, получаемый конденсатором, компенсируется током U_o/R до нуля за время t_o, т. е.

-q+(U_o/R)·t_o= 0, откуда f_o= 1/t_o= U_oR_q ; f_o= U_o/R(I_п-I_э)t_э= K_п·U_o; K_п= 1/R(I_п-I_э)t_э .

Изменяя ток Т_п, можно изменять величины К_п и f_o. Увеличение Т_пприводит к уменьшению величины -q и к увеличению К_п и f_o, а уменьшение Т_п - к их уменьшению.

При неравенстве f_o ≠ f_п/n_o импульс 73 проходит через элемент И 32 и изменяет код в счетчике 10. Если импульс 73 приходит до появления импульса одновибратора 24, что соответствует неравенству f_o > f_п/n_o, то в счетчике 10 код уменьшается на единицу, так как сигнал 69 включает в нем режим вычитания. Ток Т_п уменьшается, уменьшая К_п и f_o. Появление импульса 73 после импульса одновибратора 24, когда f_o < f_п/n_o, ведет к увеличению на единицу кода в счетчике 10 и увеличению К_п. Благодаря такой подстройке величина К_п поддерживается равной pf_c/U_o.

По окончании подстройки К_п сигнал 62 снимается и отключает от ПНЧ 7 напряжение U_o и подключает U_x для его преобразования до окончания Т_и. Длительность сигнала 62 равна t₁.

Для исключения потери информации о величине U_x за время t₁ по сигналу 62 переключатель 18 подключает напряжение U_x через резистор 22 и переключатель 19 к входу операционного усилителя 20, в цепи обратной связи которого включен конденсатор 21. За время t₁ в этом конденсаторе накапливается заряд Q= (1/R)U_x(t)dt C окончанием t₁ переключатель 18 подключает резистор 22 к токовому входу ПНЧ 7, а переключатель 19 отключает конденсатор 21 и резистор 22 от входа операционного усилителя 20, который переключателем 19 подсоединяется к его выходу. На последнем устанавливается нулевой потенциал общей шины, и заряд конденсатора 21 через резистор 22 уменьшается до нуля (сигнал 66), увеличивая через ПНЧ 7 ток от входного напряжения U_x.

Преобразование U_x продолжается до окончания Т_и в течение сигнала с нулевого выхода триггера 39. За это время ПНЧ 7 от U_x получает заряд Q₂= (1/R)U_x(t)dt и заряд Q₁.

Суммарный заряд, преобразуемый ПНЧ 7, равен Q_x= Q₁+Q₂= (1/R)U_x(t)dt= (1/R)[(1/T_и) U_x(t)dt] I_п= (1/R)(T_и)- I_и,
где (T_и) - среднее значение напряжения U_x(t) за время Т_и.

Заряд Q_x соответствует среднему значению U_x за время Т_и без потерь информации в течение выполнения настройки К_п и f_п.

Этот заряд преобразуется ПНЧ 7 в импульсы 67, последний из которых в большинстве случаев не совпадает с окончанием Т_и, это может привести к дополнительной погрешности в результате преобразования. Для ее исключения по сигналу 62, как было показано выше, к ПНЧ 7 подключается опорное напряжение U_o, и в течение времени t_k до появления импульса 72 оно участвует в формировании последнего импульса 67. За это время ПНЧ 7 получает дополнительный заряд Q_к= (U_o/R)·t_к, а в счетчик 12, который установлен импульсом 59 в исходное нулевое состояние и работает на вычитание от генератора 9 через элемент И 30, работа которого разрешена в течение сигнала 74, поступают n импульсов f_п ^. n = t_kf_п.

Выполнение вычитания в счетчике 12 фиксируется триггером 25, который устанавливается в "1" сигналом с выхода старшего разряда счетчика 12. Если емкость этого счетчика равнa n_o, то в нем к окончанию t_k получен код n_k = n_o - n.

Сигнал с нулевого выхода триггера 41, устанавливаемый в "0" импульсом 73 и в "1" импульсом 72, разрешает работу элемента И 28, через который с выхода ПНЧ 7 проходят импульсы 67 и далее через элемент ИЛИ 33 на счетный вход счетчика 11, установленного в "0" импульсом 73. Количество этих импульсов определяется общим зарядом Q_x + Q_1,2) и равно
N = K_п[U_x(Т_и)I_и + U_ot_k] .

Используя значения
K_п= (f_сp)/U_o; I_и= q/f_c; t_и = n/f_п и f_п = n_opf_c
и подставляя их в N, получают
N= f_cp/U_o[(T_и)(q/f_c)+U_o(n/n_opf_c)] = [(T_и)/U_o] pq+n/n_o.

Величина N не соответствует результату преобразования N_x= [(I_и)/U_o] pq и отличается от него на n/n_o<1, поэтому N_x= N-n/n_o . Для получения N_xкод счетчика 11 уменьшается на единицу, если имеется сигнал 65 на выходе триггера 25, который разрешает прохождение через элемент И 31 от формирователя 26 импульса, сформированного по снятию сигнала 63. Этот импульс проходит через элемент ИЛИ 33 на счетный вход счетчика 11 и на вход включения в нем режима вычитания.

В счетчике 11 образуется код N-1. Он записывается в регистр 14 импульсом 75 формирователя 27, так как в счетчике 11 накапливается новое значение.

Коды N-1 регистра 14 и n_o-n счетчика 12 образуют общий код Х результата преобразования, в котором к младшим разрядам относятся разряды счетчика 12, а к старшим - разряды регистра 14. При этом младший разряд последнего имеет вес n_o и записанный в регистре 14 код имеет величину (N-1)n_o. В этом случае общий код результата преобразования равен
X = (N - 1)n_o + (n_o - n) = n_oN - n.

Можно определить величину
n_oN-n= [(T_и)/U_o] pqn_o,
откуда
X= [(T_и)/U_o] pqn_o= [(T_и)] /Δ, где Δ= U_o/pqn_o - квант АЦП.

Поэтому в счетчике 12 и регистре 14 получен общий код Х, соответствующий точному среднему значению U_x(t) за время измерения Т_и = q/f_c с квантом преобразования Δ, величина которого зависит от длительности последнего, т. е. может изменяться в зависимости от значения q, принимаемого по интерфейсным шинам 4.

Сигналы с выходов разрядов счетчика 12 и регистра 14 передаются по шинам 5 и 6 результата преобразования.

Информация о недостоверном коде Х, который имеет место в моменты изменения информации в разрядах счетчика 12 при получении кода n_o - n и при записи кода N - 1 в регистр 14, формируется с помощью триггера 40, устанавливаемого в "1" и в "0" соответственно импульсами 59 и 75, и передается сигналом 64 по одной из выходных интерфейсных шин 4.

Таким образом, в АЦП за каждый такт Т_и формируется результат преобразования без каких-либо потерь его значений, соответствующих временным интервалам коррекции результата преобразования Х и подстройки коэффициента К. При этом временной интервал t_и прототипа перед началом Т_и отсутствует, а в течение времени t₁, равного сумме t_k и t_и, выполняется интегрирование U_x дополнительным интегратором, результаты которого учитываются при формировании общего интервала от U_x за Т_и, т. е. интегрирование U_x выполняется без временных промежутков и потери информации о величине U_x не происходит.

Такая работа АЦП без временных промежутков в процессе измерения U_x(t), которые требовались в прототипе на выполнение коррекции в течение t_и и t_k, а также на подстройку К_п в течение t_п, повышает его быстродействие.

Необходимо отметить, что в прототипе временные затраты t_п и t_kмогут иметь наибольшую величину t_o = 1/f_o, а t_p занимает время нескольких периодов частоты синхронизации f_c. В примере реализации прототипа t_p = r/f_c. Работа прототипа проходит при синхронизации от f_c и с Т_и = q/f_c, что определяет величину временных затрат Т₁ на получение одного результата преобразования:
Т₁ = t_п + t_k + r/f_c+q/f_c
Величины t_и и t_k меньше 1/f_c, но разность времени между ними использовать нельзя из-за синхронизации работы АЦП частотой f_c, откуда Т₁ = q+4/f_c . Поэтому в прототипе значительная часть времени в Т₁расходуется не на измерение входного сигнала и в течение этого времени информация о его величине пропадает. Это приводит к тому, что при необходимости непрерывного измерения входного сигнала в его представлении дискретными значениями имеют место дополнительные погрешности, Этот вид погрешностей в предлагаемом АЦП исключен благодаря тому, что время преобразования Т_и = q/f_c, а быстродействие повышено в K_в= T₁/T_п= (q+4)/q= 1+4/q раз. В примере реализации прототипа q = 6, поэтому для этого случая К_в = 1,66, а с уменьшением q величина К_в увеличивается.

Все это показывает, что в заявляемом АЦП устранены недостатки прототипа, по сравнению с которым повышено быстродействие. Это достигнуто благодаря исключению затрат времени, необходимых в прототипе на окончательное формирование результата преобразования, дополнительно к времени измерения входного напряжения. В АЦП получаемые результаты соответствуют средним значениям преобразуемого напряжения для соприкасающихся во времени тактов его работы, синхронизируемых по внешним сигналам. (56) Авторское свидетельство СССР N 1441479, кл. Н 03 М 1/60, 1987.
Авторское свидетельство СССР N 1644382, кл. Н 03 М 1/60, 1989.

Формула изобретения

1. АНАЛОГО-ЦИФРОВОЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ С ПРОМЕЖУТОЧНЫМ ПРЕОБРАЗОВАНИЕМ В ЧАСТОТУ, содержащий преобразователь напряжения в частоту импульсов, первый вход которого соединен с выходами первого и второго ключей, второй вход - с выходом третьего ключа, а выход - с управляющим входом третьего ключа и с первыми входами первого элемента И и блока управления, первый и второй выходы которого подключены соответственно к управляющим входам первого и второго ключей, информационные входы которых являются соответственно входной шиной и шиной опорного напряжений, последняя из которых объединена с одноименными входами управляемого генератора и цифроаналогового преобразователя, выход которого подключен к информационному входу третьего ключа, а входы разрядов - к выходам разрядов первого счетчика, выход первого элемента И соединен с первым входом первого элемента ИЛИ, выход которого подключен к счетному входу второго счетчика, выходы разрядов которого соединены с входами разрядов регистра, вход управляемого генератора соединен с выходом второго элемента И, первый и второй входы которого соединены соответственно с выходами первого одновибратора и с третьим выходом блока управления, четвертый выход которого соединен с входами установки нуля кода регистра и третьего счетчика, выходы разрядов которых являются шинами результата преобразования, а счетный вход третьего счетчика подключен к выходу третьего элемента И, четвертый счетчик, вход установки нуля кода которого соединен с выходом второго элемента ИЛИ, триггер, единичный выход которого соединен с первым входом четвертого элемента И, пятый элемент И, первый и второй формирователи импульсов, вход первого из которых соединен с пятым выходом блока управления, второй вход которого является шиной синхронизации, а интерфейсные входы и выходы являются одноименными шинами, отличающийся тем, что, с целью повышения быстродействия, в него введены первый и второй переключатели, операционный усилитель, резистор, конденсатор и второй одновибратор, выход которого соединен с первым входом пятого элемента И, а вход - с выходом среднего разряда четвертого счетчика и с входом управления режимом вычитания первого счетчика, счетный вход которого подключен к выходу пятого элемента И, второй вход которого объединен с входом установки нуля кода второго счетчика и подключен к шестому выходу блока управления, третий вход которого объединен с входами установки нуля кода триггера и записи кода регистра и через второй формирователь импульсов подключен к выходу первого формирователя импульсов и к второму входу четвертого элемента И, выход которого подключен к второму входу первого элемента ИЛИ и к входу управления режимом вычитания второго счетчика, выход старшего разряда третьего счетчика соединен с единичным входом триггера, выход старшего разряда четвертого счетчика соединен с входом первого одновибратора, а счетный вход четвертого счетчика объединен с первым входом третьего элемента И и соединен с выходом управляемого генератора, вход синхронизации которого соединен с выходом второго элемента ИЛИ, первый вход которого объединен с вторым входом, а второй вход соединен с седьмым выходом блока управления, пятый и второй выходы которого подключены соответственно к второму и третьему входам третьего элемента И, второй вход которого объединен с вторым входом первого элемента И, а третий вход - с входами управления второго и первого переключателей, первый информационный вход последнего объединен с информационным входом первого ключа, второй информационный вход подключен к выходу третьего ключа, а выход - через резистор к первому информационному входу второго переключателя, который через конденсатор объединен с вторым информационным входом второго переключателя и подключен к выходу операционного усилителя, вход которого соединен с выходом второго переключателя.

2. Преобразователь по п. 1, отличающийся тем, что блок управления выполнен на блоке сравнения кодов, делителе числа импульсов, первом, втором и третьем триггерах, первом и втором формирователях импульсов, первом, втором и третьем элементах И, элементе ИЛИ и счетчике, выходы разрядов которого соединены с входами элемента ИЛИ и с первыми входами блока сравнения кодов, счетный вход объединен с первым входом первого элемента И и является вторым входом блока, а вход установки нуля кода объединен с единичными входами первого и второго триггеров, с четвертым выходом блока и через первый формирователь импульсов подключен к выходу блока сравнения кодов, вторые входы которого являются интерфейсными входами блока, первый интерфейсный выход и третий вход которого являются соответственно нулевым выходом и нулевым входом второго триггера, а второй интерфейсный выход - выходом элемента ИЛИ и объединен с вторым входом первого элемента И, выход которого является третьим выходом блока, первый и второй выходы которого являются соответственно нулевым и единичным выходами первого триггера, последний из которых подключен к первым входам второго и третьего элементов И, а нулевой вход первого триггера соединен с выходом третьего элемента И, является шестым выходом блока и объединен с нулевым входом третьего триггера, единичный вход которого подключен к выходу второго элемента И и является седьмым выходом блока, а нулевой выход - пятым выходом блока и объединен с вторым входом второго элемента И и входом синхронизации делителя числа импульсов, счетный вход которого объединен с третьим входом второго элемента И и через второй формирователь импульсов является первым входом блока, а выход соединен с вторым выходом третьего элемента И.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4