Аналого-цифровой преобразователь

 

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 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 получения поправок к результату преобразования приводит к дополнительным погрешностям. Целью изобретения является повышение точности преобразователя за счет исключения влияния на результат преобразования этих погрешностей. АЦП содержит преобразователь напряжения в частоту с входным переключателем, счетчики, регистры, аналоговые сумматор и вычитатель, распределитель и формирователь импульсов, логические элементы И, ИЛИ и инвертор, одновибраторы. Новым является введение дополнительного счетчика, коммутатора кодов, управляемого напряжением генератора и элемента ИЛИ, благодаря которым в АЦП влияние на результат преобразования изменения входного сигнала во время получения поправок к результату преобразования исключено и тем самым повышена точность его работы. 2 ил.

Изобретение относится к импульсной технике, в частности к преобразователям напряжения в цифровой код с промежуточным преобразованием в частоту импульсов.

Известны аналого-цифровые преобразователи (АЦП), которые содержат преобразователь напряжения в частоту импульсов (ПНЧ), переключатель, счетчики, генератор импульсов, триггеры и логические элементы, а также аналоговые вычитатель и ключ [1] .

В этих АЦП путем использования режима компенсации устраняется влияние изменения коэффициента преобразования ПНЧ на результат преобразования. Но для этого требуются дополнительные затраты времени Т_дпо окончании времени измерения. В известном АЦП Т_д существенно уменьшены, Т_д полностью исключены в АЦП, в котором также выполняется режим компенсации [2] . Этот АЦП принят в качестве прототипа и содержит ПНЧ, вход которого соединен с выходом переключателя, первый и второй входы которого соединены соответственно с выходами аналоговых сумматора и вычитателя, у которых первые и вторые входы объединены и соответственно являются входными шинами преобразуемого и опорного напряжений, при этом выход ПНЧ соединен с первым входом синхронизатора и со счетным входом первого триггера, выход "1" которого соединен с входом управления переключателя и с первым входом первого элемента И, выход "0" - с первым входом второго элемента И, причем выходы первого и второго элементов И подсоединены соответственно к входам "1" и "0" второго триггера, а их вторые входы - к выходу синхронизатора, второй вход которого соединен с выходом генератора импульсов, с первыми входами третьего и четвертого элементов И и со счетным входом первого счетчика, выход переполнения которого подсоединен к входу "1" третьего триггера, выходы "1" и "0" которого подсоединены к первым входам соответственно пятого и шестого элементов И, вторые входы которых объединены, а выход первого подсоединен к входу первого одновибратора, выход которого соединен с первым входом седьмого элемента И, выходы "1" и "0" второго триггера подсоединены соответственно к первому входу первого элемента ИЛИ и к входу управления вычитанием второго счетчика, счетный вход которого соединен с выходом третьего элемента И, а выходы разрядов - к остальным входам первого элемента ИЛИ, выход которого соединен с вторым входом третьего элемента И и через логический инвертор - с вторым входом четвертого элемента И, первый регистр, выходы разрядов которого являются выходной шиной результата преобразования, входы разрядов соединены с выходами старших разрядов третьего счетчика, вход записи кода через формирователь импульсов - с входом установки "0" последнего и с первым входом второго элемента ИЛИ, причем входы младших разрядов третьего счетчика подсоединены к выходам восьмых элементов И, первые входы которых соединены с первыми выходами распределителя импульсов, вход которого соединен с выходом второго элемента ИЛИ, второй регистр, входы разрядов которого соединены с выходами соответствующих разрядов четвертого счетчика, второй одновибратор и третий элемент ИЛИ, выход которого подсоединен к входу управления вычитанием третьего счетчика, первый вход - к выходу седьмого элемента И, второй вход - к выходу девятого элемента И, первый вход которого соединен с выходом "0" второго триггера, второй вход - с выходом "0" третьего одновибратора, с выходной шиной готовности результата преобразования и с входом "0" третьего триггера, вход "1" которого соединен через второй одновибратор с входом записи кода второго регистра, причем выход "1" третьего одновибратора соединен с первым входом десятого элемента И, второй вход которого соединен с выходом "0" первого одновибратора, третий вход - с выходом генератора импульсов, а выход - со счетным входом четвертого счетчика, вход установки "0" которого подсоединен к выходу шестого элемента И, а выходы разрядов - к первым входам постоянного запоминающего устройства, вторые входы которого соединены с выходами разрядов второго регистра, выходы - с вторыми входами восьмых элементов И, а вход записи кода - с вторым входом второго элемента ИЛИ, с входом первого одновибратора, выход "1" которого соединен с входом третьего одновибратора и с входом формирователя импульсов, вторые входы шестого и седьмого элементов И соединены соответственно с выходом синхронизатора и с выходом "1" второго триггера.

В этом АЦП последовательно выполняются отдельные такты t_iпреобразования, на результат каждого из которых не оказывает влияние изменение коэффициента К_п преобразования ПНЧ, а суммирование результатов этих тактов за цикл Т_о позволяет получить окончательный результат преобразования U_k(t) в код и не терять дополнительные временные затраты, присущие аналогам. Исключение этих дополнительных затрат времени позволяет выполнять непрерывно интегрирование U_x(t) без пропусков временных интервалов между циклами Т_о, с окончанием каждого из которых получается новый результат преобразования.

В каждом такте t_i работы ПНЧ сначала преобразуется в частоту напряжение U_с, полученное от суммирования входного U_x(t) и опорного U_онапряжений, а затем формируется частота от преобразования напряжения U_в, получаемого от их вычитания. Длительность t_i равна сумме периодов этих двух частот. Все эти операции используются в заявляемом АЦП.

В связи с тем, что моменты начала и окончания Т_о и t_i не могут возникать синхронно, то в результате преобразования могут иметь место дополнительные погрешности, которые уменьшаются в АЦП с помощью дополнительных средств. Благодаря этим средствам выполняется формирование поправок n_н и n_к, которые соответствуют интегралам от U_x(t) за временные интервалы t_н - от начала очередного цикла работы АЦП до первого такта t_i и t_к - от последнего такта t_i в Т_о до окончания времени измерения в данном цикле.

Но прототип имеет недостаток, который состоит в том, что формирование поправок n_н и n_к выполняется на основе измерения средних значений преобразуемого напряжения U_x(t) как за интервалы времени t_c и t_в, так и за интервалы времени t_п тактов, в течение которых начинается, а затем и заканчивается цикл Т_о. Это приводит к тому, что изменение U_x(t) за время t_п приводит к дополнительным погрешностям как в величинах формируемых поправок, так и в частных результатах за t_п, которые суммируются с окончательным результатом преобразования в начале и в конце Т_о каждого цикла работы АЦП. Этот недостаток не позволяет использовать данный АЦП в преобразователях с входным коммутатором, в которых с каждым циклом Т_о могут подключаться от различных каналов входные напряжения, имеющие самые различные значения. В этом случае использование средних значений за время t_п для формирования поправок n_ни n_к приводит к значительным погрешностям и к уменьшению точности работы АЦП.

Поэтому стоит техническая задача исключить эти дополнительные погрешности при формировании поправок, получаемых за времена t_п, и благодаря этому повысить точностные характеристики АЦП.

На решение этой задачи направлено данное предложение, целью которого является повышение точности АЦП.

Цель достигается тем, что в АЦП, содержащий ПНЧ, вход которого соединен с выходом переключателя, первый и второй входы которого соединены соответственно с выходами аналоговых сумматора и вычитателя, у которых первые и вторые входы объединены и соответственно являются входными шинами преобразуемого и опорного напряжений, при этом выход ПНЧ соединен с первым входом синхронизатора и со счетным входом первого триггера, выход "1" которого соединен с входом управления переключателя и с первым входом первого элемента И, выход "0" - с первым входом второго элемента И, выходы первого и второго элементов И подсоединены соответственно к входам "1" и "0" второго триггера, а их вторые входы - к выходу синхронизатора, второй вход которого соединен с выходом генератора импульсов, с первыми входами третьего и четвертого элементов И и со счетным входом первого счетчика, выход переполнения которого подсоединен к входу "1" третьего триггера, выходы "1" и "0" которого подсоединены к первым входам соответственно пятого и шестого элементов И, вторые входы которых объединены, а выход первого подсоединен к входу первого одновибратора, выход которого соединен с первым входом седьмого элемента И, выходы "1" и "0" второго триггера подсоединены соответственно к первому входу первого элемента ИЛИ и к входу управления вычитанием второго счетчика, счетный вход которого соединен с выходом третьего элемента И, а выходы разрядов - к остальным входам первого элемента ИЛИ, выход которого соединен с вторым входом третьего элемента И и через логический инвертор с вторым входом четвертого элемента И, первый регистр, выходы разрядов которого являются выходной шиной результата преобразования, входы разрядов соединены с выходами старших разрядов третьего счетчика, вход записи кода через формирователь импульсов - с входом установки "0" последнего и с первым входом второго элемента ИЛИ, причем входы младших разрядов третьего счетчика подсоединены к выходам восьмых элементов И, первые входы которых соединены с первыми выходами распределителя импульсов, вход которого соединен с выходом второго элемента ИЛИ, второй регистр, входы разрядов которого соединены с выходами соответствующих разрядов четвертого счетчика, второй одновибратор и третий элемент ИЛИ, введены управляемый напряжением генератор импульсов, пятый счетчик, коммутатор кодов и четвертый элемент ИЛИ, выход которого соединен с входом записи кода второго регистра, первый вход - с первым входом третьего элемента ИЛИ и с входом "1" третьего триггера, второй вход - с входом "0" последнего, с входом формирователя импульсов и с выходом седьмого элемента И, второй вход которого подсоединен к выходу "1" третьего триггера и к выходной шине готовности результата преобразования, третий вход - к последнему выходу распределителя импульсов и к входу установки "0" пятого счетчика, счетный вход которого соединен с выходом четвертого элемента И, а выходы разрядов - с первыми входами коммутатора кодов, вторые входы которого подсоединены к выходам разрядов второго регистра, выходы - к вторым входам соответствующих восьмых элементов И, а выход управления - к выходу первого одновибратора и к второму входу третьего элемента ИЛИ, третий вход которого подсоединен к выходу шестого элемента И, второй вход которого соединен с выходом первого элемента И и с вторым входом второго элемента ИЛИ, при этом выход третьего элемента ИЛИ подсоединен через второй одновибратор к входу установки "0" четвертого счетчика и объединен с первым входом управляемого напряжением генератора импульсов, выход которого соединен со счетным входом последнего, а второй и третий входы - с первым и вторым входами вычитателя.

В результате поиска и анализа известных технических решений не были обнаружены решения, которые имеют признаки, сходные с отличительными признаками заявляемого решения.

В предлагаемом техническом решении цель достигается благодаря непосредственному получению величин η_н и η_к , соответствующих интегралам от U_x(t), за временные интервалы, во-первых, t_н от начала очередного цикла Т_о до первого такта t_i его работы и, во-вторых, t_к от окончания последнего такта t_i до окончания Т_о. При этом промежуточные результаты интегрирования за время t_п тактов в начале и в конце цикла Т_оне используются для суммирования при формировании окончательного результата преобразования. Это исключает рассмотренные выше погрешности прототипа, так как в окончательный результат входят значения η_н и η_к, соответствующие интегралам U_x(t) за временные интервалы t_к и t_н, и изменение U_x(t) не вызывает дополнительных погрешностей, присущих прототипу.

На фиг. 1 приведена блок-схема предлагаемого АЦП; на фиг. 2 - временная диаграмма его работы, где 1 и 2 - шины преобразуемого и опорного напряжений, 3 и 4 - шины результата преобразования и сигнала его готовности, 5 - ПНЧ, 6 - аналоговый переключатель, у которого сигнал на управляющем входе обеспечивает закорачивание первого входа с выходом, а при его отсутствии закорочен второй вход и выход, 7 и 8 - аналоговые сумматор и вычитатель, 9 - управляемый напряжением генератор импульсов, 10 - синхронизатор, 11-15 - с первого по пятый счетчики, 16 и 17 - первый и второй регистры, 18 - распределитель импульсов, 19 - коммутатор кодов, у которого отсутствие сигнала на управляющем входе обеспечивает передачу сигналов с первых входов на выходы, а при его наличии - с вторых входов на выходы, 20 - генератор импульсов, 21-23 - с первого по третий триггеры, 24 и 25 - первый и второй одновибраторы, 26 - логический инвертор, 27 - формирователь импульсов, 28-34 - с первого по седьмой элементы И, 35 - группа восьмых элементов И, 36-39 - с первого по четвертый элементы ИЛИ, 40 - импульс переполнения счетчика 11, 41 и 42 - импульсы ПНЧ 5 и синхронизатора 10, 43 и 44 - сигналы на выходах "1" и "0" триггера 22, 45 и 46 - сигналы на выходах элемента ИЛИ 36 и инвертора 26, 47 - сигнал на выходе "1" триггера 23, 48 и 49 - импульсы на выходе элемента И 28 и на последнем выходе распределителя 18, 50, 51 и 52 - импульсы на выходах элементов И 32, ИЛИ 37 и 39, 53 - сигнал одновибратора 24, 54 - временные интервалы работы распределителя 18, 55 и 56 - импульсы на выходах элементов ИЛИ 38 и И 34.

Шина 1 соединена с первыми входами сумматора 7 и вычитателя 8 и с вторым входом генератора 9, шина 2 - соответственно с их вторыми и третьими входами, шина 3 - с выходами разрядов регистра 16, шина 4 - с выходом "1" триггера 23, с первым и вторым входами элементов И 32 и 34. Первый вход последнего подсоединен к выходу одновибратора 24, к второму входу элемента ИЛИ 38 и к входу управления коммутатора 19, третий вход - к выходу распределителя 18 и к входу установки "0" счетчика 15, а выход - к второму входу элемента ИЛИ 39, к входу записи регистра 16, к входу установки "0" счетчика 13 и к первому входу элемента ИЛИ 37 через формирователь 27 и к входу "0" триггера 23, выход "0" которого соединен с первым входом элемента И 33, а вход "1" - с первыми входами элементов ИЛИ 38 и 39 и с выходом переполнения счетчика 11. Счетный вход счетчика 11 подсоединен к выходу генератора 20, к первым входам элементов И 30 и 31 и к второму входу синхронизатора 10, первый вход которого соединен со счетным входом триггера 21 и с выходом ПНЧ 5, а выход - с вторыми входами элементов И 28 и 29. Первые входы последних подсоединены к выходам "1" и "0" триггера 21, первый из которых объединен с входом управления переключателя 6, а выходы - к входам "1" и "0" триггера 22, первый из которых соединен с вторыми входами элементов И 32 и 33 и ИЛИ 37. Выход элемента ИЛИ 37 подсоединен к входу распределителя 18, выходы разрядов которого соединены с первыми входами элементов И 35. Выходы элементов И 35 подсоединены к входам младших разрядов счетчика 13, выходы старших разрядов которого соединены с входами разрядов регистра 16. Вторые входы элементов И 35 соединены с выходами коммутатора 19, первые и вторые входы которого подсоединены соответственно к выходам разрядов счетчика 15 и регистра 17. Вход записи регистра 17 соединен с выходом элемента ИЛИ 39, а входы разрядов - с выходами разрядов счетчика 14, счетный вход которого подсоединен к выходу генератора 9, вход установки "0" через одновибратор 25 - к первому входу последнего и к выходу элемента ИЛИ 38. Третий вход элемента ИЛИ 38 соединен с выходом элемента И 33, выход элемента И 32 подсоединен к входу одновибратора 24. Счетный вход счетчика 15 соединен с выходом элемента И 31, второй вход которого подсоединен через инвертор 26 к второму входу элемента И 30 и к выходу элемента ИЛИ 36. Входы элемента ИЛИ 36 соединены с выходом "1" триггера 22 и с выходами разрядов счетчика 12, счетный вход и вход управления режимом вычитания которого соединены с выходом элемента И 30 и с выходом "0" триггера 22. Выходы сумматора и вычитателя подсоединены к первому и второму входам переключателя, выход которого соединен с входом ПНЧ 5.

АЦП работает следующим образом.

Как и в прототипе, преобразуемое напряжение U_x(t) суммируется с опорным напряжением U_о в сумматоре 7 и вычитается из него в вычитателе 8, на выходе которых получаются напряжения U_c = U_o + U_x(t) и U_в= U_o - U_x(t). Эти напряжения с помощью переключателя 6 подключаются на вход ПНЧ 5, выходные импульсы 41 которого поступают на счетный вход триггера 21, а его выходной сигнал управляет работой переключателя 6. Благодаря этому выполняется поочередное преобразование U_с и U_в в частоты f_c = K_п U_c и f_в= К_п U_в. Каждое преобразование U_с или U_в проходит в течение одного периода этих частот: t_c = 1/f_c и t_в = 1/f_в, и длительность такта работы АЦП равна t_i = t_c + t_в.

Если в ПНЧ 5 выполняется интегрирование преобразуемого напряжения и начало t_i происходит в моменты времени Т, то величины получаемых частот равны f_c= K(t_c)= K_п[U_o+(t_c)] и f_В= K(t_В)= K_п[U_o-(t_В)] , где (t_c), (t_в), (t_c) и (t_в) - средние значения напряжений за время, указанное в скобках, т. е.

(t_с)= U_x(t)dt и (t_в)= U_x(t)dt.

Для каждого такта t_i можно эти уравнения записать в виде K_п[U_o+(t_c)] t_c= 1 и K_п[U_o-(t_В)] t_В= 1 и определить величину временного интервала t_pi = t_в - t_c: U_o(t_в-t_c) = (t_c)t_c+(t_в)t_в или U_o·t_pi= U_x(t)dt+ U_x(t)dt= U_x(t)dt и t_pi= U_x(t)dt.

Величина t_pi соответствует интегралу входного напряжения за время t_i, и на нее не оказывает влияние коэффициент К_п преобразования ПНЧ 5.

Преобразование t_pi в код n_pi и использование временных интервалов t_с и t_в осуществляется с помощью импульсов частоты f генератора 20; n_pi= t_pi f. Эти импульсы используются также для формирования времени Т_оизмерения U_x(t), что осуществляется с помощью счетчика 11, импульсы 40 переполнения которого возникают через временные интервалы T_o = N_o/f.

Так как импульсы 41 не имеют синхронизации с импульсами f, то при определении n_р и в работе других узлов АЦП могут возникать погрешности и сбои в моменты взаимного перекрытия этих импульсов. Для исключения этого в АЦП имеется синхронизатор 10, выходные импульсы 42 которого всегда сдвинуты относительно импульсов f генератора 20.

Синхронизатор 10 может быть выполнен, например, как и в прототипе, на соединенных последовательно элементе И, одновибраторе, элементе ИЛИ и формирователе импульсов, выход которого является выходом синхронизатора, а его входами служат входы элемента И, из которых на один подаются импульсы f, а другой объединен с вторым входом элемента ИЛИ, и на него подаются импульсы 41 с выхода ПНЧ 5. При совпадении импульсов 41 и f элемент И запускает одновибратор, сигнал которого в элементе ИЛИ увеличивает длительность импульса 41, и по его заднему фронту запускается формирователь с выходными импульсами 42.

Импульсы 42 проходят через элемент И 28 или 29 в зависимости от состояния триггера 21 на входы триггера 22 и записывают в нем код, соответствующий временному интервалу t_с при наличии сигнала U_с для интервала t_в, когда преобразуется U_в.

Выходные сигналы 43 и 44 триггера 22, соответствующие интервалам t_си t_в, и импульс 48, устанавливающий его в "1", используются для управления работой других узлов АЦП.

Сигнал 43, проходя через элемент ИЛИ 36, разрешает работу элемента И 30, через который импульсы f поступают в счетчик 12, образуя в нем код n_c = t_c f. Когда сигнал 43 снимается, сигналы разрядов, в которых записан n_с, проходят через элемент ИЛИ 36, образуя сигнал 45, который продолжает поддерживать работу элемента И 30. С появлением сигнала 44 в счетчике 12 включается режим вычитания и импульсы f в течение t_вуменьшают код n_с до нуля. Через время, равное t_с, в счетчике 12 устанавливается код "0", сигнал 45 снимается и элемент И 30 закрывается. На выходе инвертора 26 возникает сигнал 46, длительность которого равна t_pi = t_в - t_с, так как он снят с появлением новых сигналов 43 и далее сигнала 45.

Сигнал 46 разрешает работу элемента И 31, через который на счетчик 15 поступают импульсы f и формируют в нем код n_pi = t_pif. Код n_piпоступает на первые входы коммутатора 19, на управляющем входе которого сигнал 53 с выхода одновибратора 24 отсутствует, и это обеспечивает передачу кода n_pi на его выходы и на входы элементов И 35, подключенных к счетным входам младших разрядов счетчика 13.

В отличие от прототипа код n_pi в течение t_i не суммируется в счетчике 13, накапливающем их сумму, так как он не используется в последнем такте t_п работы АЦП, в котором заканчивается время Т_оизмерения U_x(t). Суммирование n_pi выполняется по окончании t_i. По импульсу 48, относящемуся к такту t_i+1 и проходящему через элемент ИЛИ 37, запускается распределитель 18 импульсов, на выходах которого последовательно во времени появляются импульсы (пачка импульсов в течение сигнала 54). Эти импульсы проходят через те элементы И 35, которые на входах имеют сигналы "1" в разрядах кода n_pi, на счетные входы соответствующих разрядов счетчика 13. Благодаря этому выполняется поразрядное суммирование n_pi с кодом, находящимся в счетчике 13.

Импульс 49 с последнего выхода распределителя 18 после выполнения этого суммирования устанавливает "0" в счетчике 15. Это повторяется для каждого такта t_i работы АЦП и в счетчике 13 за К тактов сформирован код N_k= n_pi= ft_pi= U_x(t)dt, где Т_k - суммарное время выполнения k тактов t_i.

Для получения окончательных результатов преобразования U_x(t) за каждый цикл Т_о работы АЦП в код N_р, как и в прототипе, должны быть внесены поправки, учитывающие величины интегралов U_x(t) в течение последнего такта t_п и относящиеся к текущему и последующему циклам работы АЦП. Это связано с тем, что окончание Т_о и появление импульса 40 может произойти в любое время в течение такта t_п через t_к после последнего в Т_о импульса 48 t_i, а первый импульс 48 последнего цикла преобразования появляется через временной интервал t_н между импульсами 40 и 48.

Временной интервал t_к относится к текущему циклу работы АЦП, и по нему в прототипе формируется поправка n_к к текущему результату N_т, а временной интервал t_н уже относится к последующему циклу, и соответствующая ему поправка вводится в результат N_п этого цикла.

Поправки n_к и n_н в прототипе формируются расчетным путем на основе использования результатов получения средних значений U_x(t) в течение времени t_п, что при изменении преобразуемого напряжения приводит к дополнительным погрешностям. В предлагаемом АЦП выполняется непосредственное получение этих интегралов с помощью генератора 9, управляемого напряжением U_x(t), и по его импульсам осуществляется формирование соответствующих поправок η_н и η_к , благодаря чему упомянутые погрешности прототипа исключаются.

В качестве генератора 9 может быть использован управляемый мультивибратор (см. например, Матряшин А. И. и др. Преобразователи электрических параметров для систем контроля и измерения. М. : Энергия, 1976, с. 107), который имеет предельную простоту схемы за счет того, что один транзистор совмещает функции зарядного устройства, ключа и устройства сравнения. Существенно лучшими точностными характеристиками обладает другая схема генератора (там же, рис. 2-31). В ней входной сигнал U_х подается на управляемый источник тока с включенным на его выходе интегрирующим конденсатором, напряжение которого с помощью устройства сравнения сравнивается с опорным напряжением, подаваемым на другой вход генератора. При срабатывании этого устройства его выходной импульс с помощью ключа разряжает конденсатор, после чего цикл их работы повторяется и на выходе формируются импульсы с частотой повторения f_у= = K (там же, с. 108, вторая формула сверху).

В этой формуле величина U_х представляет собой среднее значение U_x(t_у) за время длительности одного цикла t_у = 1/f_у, и она получается в результате интегрирования U_x(t) за это время: (t_у)= U_x(t)dt.

Для одного цикла работы генератора его частота
f_у1= (t_у)
и можно записать
f_у1·t_у= (t_у)t_у= 1 или .

Поэтому путем подсчета числа импульсов f_у за t_к и t_н можно получать значения η_н и η_к , соответствующие интегралам U_x(t) за эти интервалы времени:
η_к= t_кf_у= U_x(t)dt и
η_н= t_н·f_у= U_x(t)dt.

Упомянутая схема обладает важным свойством, состоящим в простоте синхронизации ее работы по внешним сигналам, которые при подаче на вход ключа разряжают конденсатор, поддерживают его в этом состоянии, а при их снятии работа генератора начинается с исходного состояния. Это свойство использовано в генераторе 9, у которого первый вход предназначен для сигналов синхронизации, а второй и третий - для U_x(t) и U_о. Формирование η_н и η_к выполняется с помощью счетчика 14, которые затем переписываются в регистр 17.

В связи с тем, что заранее неизвестно, в каком из t_i тактов появится импульс 40 окончания очередного Т_о, формирование η_квыполняется в каждом t_i такте, начиная с импульсов 48. Эти импульсы проходят через элемент И 33, работа которого разрешена сигналом с выхода "0" триггера 23, и элемент ИЛИ 38 (импульсы 55) на вход синхронизации генератора 9 и запускают одновибратор 25, выходной импульс которого устанавливает "0" в счетчике 14, где начинается подсчет импульсов f_у.

Если в течение t_i импульса 40 не было, то в следующем такте t_i+1вновь начинается подсчет импульсов f_у. В последнем такте t_п через время t_к импульс 40 проходит через элемент ИЛИ 39, и по его импульсу 52 записывается полученный в счетчике 14 за это время код η_к в регистр 17. При этом импульс 40 предварительно установил через элемент ИЛИ 38 в исходное состояние генератор 9, а затем он с помощью одновибратора 25 установит в "0" счетчик 14.

Начиная с этого момента до появления импульса 48, в нем формируется код η_н по импульсам f_у генератора 9, который выключается из работы с окончанием t_п по сигналу 55, образованному сигналом 53 одновибратора 24. Последний запускается импульсом 50, прошедшим через элемент И 32, работа которого разрешена сигналом 47 с выхода "1" триггера 23, а он был установлен в это состояние сигналом 40.

В результате с окончанием времени t_п в регистре 17 записан код η_к и в счетчике 14 получен код η_н. Первый из них используется для получения окончательного результата преобразования в выполненном текущем цикле Т_оработы АЦП, а второй - для начала формирования результата преобразования в последующем цикле его работы.

В общем случае для каждого цикла Т_о работы АЦП результат преобразования N_р формируется при суммировании следующих кодов: η_нр- кода, полученного за время t_н в начале Т_о, N_к - суммарного кода, полученного в течение времени Т_к за к тактов t_i, и eta<N>_кр - кода, полученного за время t_к в конце Т_о.

Для каждого цикла работы АЦП справедливо равенство T_o = t_н + T_к + t_к, формируемым кодам соответствуют величины
η_нр= U_x(t)dt;
N_к= U_x(t)dt и
η_кр= U_x(t)dt.

В этих кодах нецелесообразно иметь одинаковые величины квантов по напряжению, которые соответствуют единицам их младших разрядов, и они выбираются, исходя из необходимости получения требуемой точности при их формировании. Поэтому суммирование этих кодов выполняется с различными весовыми коэффициентами. Если для N_к этот коэффициент принять равным единице, то для кодов η_нр и η_кр он может быть выбран равным К_в, т. е. запись этих кодов может выполняться в средние разряды счетчика 13, где формируется результат преобразования. В этом случае должно выполняться равенство коэффициентов при интегралах в выражениях для N_к и η_нр, η_кр, откуда получается зависимость К_в = t/К_у.

С учетом величин К_в, f= и Т_о суммарный код
N_р= K_вη_нр+N_k+K_вη_кр= U_x(t)dt+ U_x(t)dt+
+ U_x(t)dt= U_x(t)dt=
= · U_x(t)dt= , где (Т_о) - среднее значение преобразуемого напряжения за Т_о, равное
;
Δ - квант АЦП, равный U_o/N_o.

Величина N_р представляет собой результат преобразования среднего значения U_x(t) за время измерения Т_о.

Суммирование кодов η_нр и η_кр в счетчике 13 выполняется по окончании последних тактов t_п работы АЦП. В эти интервалы времени, как было описано ранее, действует сигнал 53, который выключает из работы генератор 9 и подключает в коммутаторе 19 на его выходы сигналы с вторых входов, соединенных с выходами разрядов регистра 17.

С окончанием t_п импульс 51 запускает распределитель 18 импульсов, и в течение времени 54 будет выполнено, как и ранее для кодов n_pi, поразрядное суммирование кода η_кp с кодом счетчика 13, полученным за предыдущее время в Т_о выполненного цикла работы АЦП, т. е. будет сформирован код N_р. После этого импульс 49 с последнего выхода распределителя 18 проходит через элемент И 34, работа которого разрешена сигналами 47 и 53, образует импульс 56. Этим импульсом код Х_р старших разрядов счетчика 13 записывается в регистр 16 и запускается формирователь 27, импульс которого устанавливает в "0" счетчик 13 и запускает через элемент ИЛИ 37 распределитель 18 импульсов. Импульс 56, кроме того, устанавливает в "0" триггер 23 и, пройдя через элемент ИЛИ 39, записывает импульсом 52 код η _нр из счетчика 14 в регистр 17. Благодаря повторной работе распределителя 18 этот код η _нрбудет записан в счетчик 13 и с него начинается суммирование кодов в текущем цикле Т_о работы АЦП, который заканчивается суммированием кода η _кр и получением кодов N_р и Х_р. Последний с выходов разрядов регистра 16 передается по шине 3, а о его готовности информирует снятие сигнала 47, который передается по шине 4.

Таким образом, в предлагаемом АЦП, как и в прототипе, результат преобразования получается с окончанием каждого цикла его работы, т. е. в нем выполняются соприкасающиеся во времени циклы измерения входного напряжения, что достигнуто благодаря учету при формировании результата преобразования за Т_о интегралов от U_x(t) за временные интервалы t_н и t_к.

В отличие от прототипа, в котором это учитывается путем получения поправок n_н и n_к, формируемых на основе использования результатов измерения средних значений U_x(t) в течение t_п, что вызывает дополнительные погрешности результата преобразования при изменении U_x(t), в предлагаемом АЦП вводятся поправки η _н и η _к, которые соответствуют непосредственно интегралам от U_x(t) за временные интервалы t_н и t_к, что исключает погрешности прототипа и допускает изменение U_x(t) в течение t_п. Это позволяет изменять на входе АЦП преобразуемое напряжение в каждом цикле его работы и использовать его при работе с входным коммутатором.

Для прототипа в этом режиме работы АЦП наибольшие дополнительные погрешности возникают при максимальной разности переключаемых напряжений, например, при преобразовании наибольшего входного напряжения в текущем цикле работы и при нулевых уровнях напряжений в предыдущем и последующем циклах, а также при начале и окончании Т_о соответственно в течение t_с и t_в, когда в результат преобразования входят величины n_н, n_ки n_рп, соответствующие средним значениям U_x(t) за временные интервалы t_c, t_в и t_п. Поэтому эти величины имеют погрешности, которые могут достигать 50% от действующих значений U_x(t) при их изменении в середине этих временных интервалов, и они не соответствуют напряжению U_x(t), преобразуемому в текущем цикле работы АЦП.

Влияние этих погрешностей на окончательный результат преобразования зависит от состояния параметров, принятых в АЦП, и в том числе от принятого распределения погрешностей между формируемыми величинами N_к и n_н, n_к. В предлагаемом АЦП эти погрешности отсутствуют, а погрешности в η _н и η_к не превышают единицы младшего разряда этих кодов.

Получение величин n_pi, η _нр и η _кр связано с квантованием временных интервалов, которое приводит к возникновению погрешностей, суммируемых при получении N_р. Поэтому временной квант работы АЦП, определяемый частотой f, и другие параметры АЦП должны выбираться из условия, чтобы суммарная погрешность в N_р не превышала одного кванта Δ р результата преобразования. Поэтому Δ р должен быть больше кванта Δ , приведенного в выражении для N_р, и в связи с этим в качестве результата преобразования Х_р используются старшие разряды кода N_р.

Если в АЦП сохранить, как и в прототипе, следующие соотношения параметров: U_o = 2U_m (U_m - максимальная величина входного преобразуемого напряжения U_х) и T_o = N_m/f_m (f_m - максимальная частота работы ПНЧ), то при преобразовании U_x = U_m имеют U_c = 3U_m; U_в = U_m и при t_c = 1/f_mвеличины t_в = 3/f_m; t_p = 2/f_m и t_i = 4/f_m, а при U_x = 0 t_p= 0; t_c = t_в= 3/2f_m и t_i = 3/f_m.

При различных уровнях U_х за один цикл Т_о выполняется различное число K = T_o/t_i тактов суммирования n_pi, которое изменяется от 1/3N_mдо 1/4N_m соответственно для U_x = 0 и U_x = U_m.

В результат N_p входит суммарная погрешность от выполнения этих К тактов при получении N_к, а также погрешности от двух поправок η _нр и η _кр.

В прототипе при анализе погрешностей использованы их временные эквиваленты: общая погрешность δ _m/f_m, которая распределяется между N_к и n_н, n_к как δ_к/f_m и δ _n/f_m (δ _m = δ _к + δ _п; δ _m < 1 и n_m = 1/δ _m > 1).

По величине δ _к можно установить соотношение между f и f_m, исходя из условия, что наибольшая погрешность при выполнении t_i равна 2/f и при получении N_к выполнено K= 1/3˙ N_m суммирований n_pi = 2к/f ≅ δ _к/f_m, откуда
f= f_m
По величине δ _п при одинаковом ее распределении между η_н и η_кможно установить соотношение между частотой f_m и f_уm - максимальной частотой работы управляемого напряжением генератора при преобразовании U_m, исходя из наибольшей погрешности, равной
1/f , откуда
f f_m и
K_в= · (K_у= 2f_уm).

С учетом f и δ _m/f_m наибольшая погрешность в N_р равна
δ_р= ·f= · ·N_m/n_m и определяет Δ _р и вес младшего разряда Х_р в счетчике 13.

Емкости регистров и счетчиков для выполнения этих соотношений должны быть не менее для регистра 16 N_m n_m, счетчиков 11 и 13 _· , счетчика 15 _· , счетчика 12 N_m/ δ _к, счетчика 14 и регистра 17 8/δ _п, при этом для последних вес их младших разрядов при суммировании η_н и η_к в счетчике 13 должен быть равен
.

Реализация предлагаемого АЦП с этими параметрами не вызывает каких-либо трудностей. Так, например, при сохранении количественных соотношений, приведенных в примере прототипа N_m = 10³, n_m = 8, Т_о = 20 мс, f_m = 50 кГц, f = 220 мГц, δ _m = 0,25, δ _к = 0,15 и δ _п = 0,1.

В введенном управляемом напряжением генераторе максимальная частота работы должна быть f_уm = 20 f_m = 1 мГц, а погрешность не более δ _п/8 = 1,25% . Поэтому он может быть выполнен на основе упомянутой выше простой схемы управляемого мультивибратора.

Необходимо отметить, что предлагаемое техническое решение позволяет осуществить дальнейшее повышение точности АЦП путем перераспределения величин N_m и n_m, δ _к и δ _п. Это позволит снизить частоту работы ПНЧ и повысить его точность, но при этом в качестве управляемого напряжением генератора целесообразно использовать схему, которая обладает более высокой точностью по сравнению с управляемым мультивибратором. Все это показывает, что предложено техническое решение, которое решает поставленную перед ним задачу по устранению недостатка прототипа и по сравнению с ним достигнуто повышение точности работы АЦП.

Формула изобретения

АНАЛОГО-ЦИФРОВОЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ, содержащий преобразователь напряжения в частоту импульсов, вход которого соединен с выходом переключателя, первый и второй входы которого соединены соответственно с выходами аналоговых сумматора и вычитателя, первые и вторые входы которых попарно объединены и соответственно являются входными шинами преобразуемого и опорного напряжений, выход преобразователя напряжения в частоту импульсов соединен с первым входом синхронизатора и со счетным входом первого триггера, "1" выход которого соединен с входом управления переключателя и первым входом первого элемента И, "0" выход - с первым входом второго элемента И, выходы первого и второго элементов И подсоединены соответственно к "1" и "0" входам второго триггера, а их вторые входы - к выходу синхронизатора, второй вход которого соединен с выходом генератора импульсов и объединен с первыми входами третьего и четвертого элементов И и со счетным входом первого счетчика, выход переполнения которого подсоединен к "1" входу третьего триггера, "1" и "0" выходы которого подсоединены к первым входам соответственно пятого и шестого элементов И, вторые входы которых объединены, а выход первого подсоединен к входу первого одновибратора, выход которого соединен с первым входом седьмого элемента И, "1" и "0" выходы второго триггера подсоединены соответственно к первому входу первого элемента ИЛИ и входу управления вычитанием второго счетчика, счетный вход которого соединен с выходом третьего элемента И, а выходы разрядов подключены к остальным входам первого элемента ИЛИ, выход которого соединен с вторым входом третьего элемента И и через логический инвертор - с вторым входом четвертого элемента И, первый регистр, выходы разрядов которого являются выходной шиной результата преобразования, входы разрядов соединены с выходами старших разрядов третьего счетчика, вход записи кода через формирователь импульсов - с входом установки "0" третьего счетчика и первым входом второго элемента ИЛИ, входы младших разрядов третьего счетчика подсоединены к выходам восьмых элементов И, первые входы которых соединены с первыми выходами распределителя импульсов, вход которого соединен с выходом второго элемента ИЛИ, второй регистр, входы разрядов которого соединены с выходами соответствующих разрядов четвертого счетчика, второй одновибратор и третий элемент ИЛИ, отличающийся тем, что, с целью повышения точности, в него введены управляемый напряжением генератор импульсов, пятый счетчик, коммутатор кодов и четвертый элемент ИЛИ, выход которого соединен с входом записи кода второго регистра, первый вход объединен с первым входом третьего элемента ИЛИ и с "1" входом третьего триггера, второй вход - с "0" входом последнего, с входом формирователя импульсов и соединен с выходом седьмого элемента И, второй вход которого подключен к "1" выходу третьего триггера и является выходной шиной готовности результата преобразования, третий вход - к второму выходу распределителя импульсов и входу установки "0" пятого счетчика, счетный вход которого соединен с выходом четвертого элемента И, а выходы разрядов - с первыми входами коммутатора кодов, вторые входы которого подключены к выходам разрядов второго регистра, выходы - к вторым входам соответствующих восьмых элементов И, а вход управления - к выходу первого одновибратора и объединен с вторым входом третьего элемента ИЛИ, третий вход которого подключен к выходу шестого элемента И, второй вход которого соединен с выходом первого элемента И и объединен с вторым входом второго элемента ИЛИ, выход третьего элемента ИЛИ подключен через второй одновибратор к входу установки "0" четвертого счетчика и объединен с первым входом управляемого напряжением генератора импульсов, выход которого соединен со счетным входом четвертого счетчика, а второй и третий входы - с первым и вторым входами вычитателя.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2