Следящий аналого-цифровой преобразователь

 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в измерительных комплексах для получения оценок числовых характеристик погрешностей измерительных систем и устройств автоматики. Технический результат, достигаемый за счет введения в устройство, содержащее генератор импульсов, триггер, элемент ИЛИ - НЕ, дифференциальный операционный усилитель, блок управления реверсом счета, реверсивный счетчик, ЦАП, нуль-орган, двух кнопочных переключателй, трех ключей, блока диодов, выпрямителя, усилителя-ограничителя, дифференцирующей цепочки, фильтра, двух резисторов, счетчика временных интервалов, четырех управляющих триггеров, трех элементов задержки, двух групп элементов И - НЕ, трех групп элементов ИЛИ - НЕ, десяти элементов И - НЕ, шести элементов ИЛИ - НЕ, инвертора, предохранителя, выключателя, цифроуправляемого резистора, двух резисторов, дифференциальных усилителей разности, знакочувствительного переключателя и семи преобразователей кодов заключается в том, что осуществляется как релаксационный, так и непрерывный следящий режим уравновешивания аналоговых сигналов. При этом возникает возможность адаптации процесса преобразования к свойствам преобразуемого сигнала, причем преобразуемый сигнал имеет широкий динамический диапазон. Предполгается также возможность автоматического внутреннего управления и управления от внешних устройсв процессом преобразования. 1 ил.

Изобретение относится к измерительной технике и автоматике, а также к использованию вычислительной техники в приборостроении.

Известно устройство АЦ преобразования непрерывного однополярного сигнала, содержащее генератор стабилизированных по частоте и скважности импульсов, логический элемент ИЛИ-НЕ, счетчик импульсов, цифроаналоговый преобразователь (ЦАП), нуль-орган, управляющий триггер, через единичный вход которого осуществляют запуск процесса АЦ преобразования, единичный вход которого соединен с первым управляющим входом логического элемента ИЛИ-НЕ, второй информационный вход которого соединен с генератором стабилизированных по частоте и скважности импульсов, а выход которого соединен со счетным входом счетчика импульсов, нулевые и единичные выходы разрядов которого соединены с соответствующими входами цифроаналогового преобразователя, выход которого соединен с первым входом нуль-органа, второй вход которого соединен с первым входом нуль-органа, второй вход которого соединен с источником преобразуемого непрерывного однополярного сигнала, а выход которого соединен с нулевым входом управляющего триггера [1].

Устройство АЦ преобразования непрерывного однополярного сигнала, являющееся наиболее близким техническим решением, содержащее генератор стабилизированных по частоте и скважности импульсов, дифференциальный усилитель, знакочувствительный вентиль, реверсивный счетчик, цифроаналоговый преобразователь, выход которого соединен с первым входом дифференциального усилителя, второй вход которого соединен с источником преобразуемого непрерывного однополярного сигнала, выход которого соединен со входом знакочувствительного вентиля, другой вход которого соединен с выходом генератора, а первый и второй выходы которого соединены с соответствующими входами реверсивного счетчика [2].

Оба известных технических решения в принципе представляют собой цифровые следящие системы. Однако первая из них работает в релаксационном режиме вследствие того, что при сравнении сигналов преобразуемого и обратной связи, происходящем до момента прихода сигнала "Конец интервала дискретности по времени АЦ преобразования" (в варианте исполнения системы, представленной на такой сигнал не создается, но он должен быть создан для нормальной повторяющей АЦ преобразование во времени работы системы), на время между моментом сравнения сигналов и появлением сигнала "Конец интервала..." счетчик 17 отключается от генератора импульсов, благодаря чему в системе нарастает рассогласование между преобразуемым сигналом и сигналом обратной связи. Однако это рассогласование остается в пределах допустимой для системы АЦ преобразования наперед заданной погрешности, поскольку интервал дискретизации по времени АЦ преобразования выбирается таким, чтобы за время дискретизации сигнала между двумя смежными отсчетами преобразуемый сигнал не мог измениться более, чем на величину удвоенного предела допустимой погрешности на АЦ преобразования.

Вторая из них работает в релаксационном непрерывном режиме вследствие дискретности сигнала обратной связи на выходе цифроаналогового преобразователя.

Последний недостаток, имеющийся также и у первого технического решения, приводит к увеличению погрешности АЦ преобразования каждого из рассмотренных технических решений. Это первый из недостатков рассмотренных систем АЦ преобразования, хотя оба варианта технических решений в части уровня погрешности АЦ преобразования примерно равноценны.

Вторым существенным недостатком обоих технических решений является возможность АЦ преобразования только однополярных сигналов.

Третьим недостатком обоих технических решений является невозможность их использования для АЦ преобразования разностных сигналов малого динамического диапазона.

Четвертым недостатком обоих технических решений является отсутствие автоматизации управления циклом АЦ преобразования, повторяющимся во времени, - для первого технического решения, и отсутствие автоматизации управления съемом информации - для обоих технических решений.

Пятым недостатком обоих технических решений является их неприспособленность к изменению параметров АЦ преобразования при изменении свойств преобразуемого сигнала, т.е. отсутствие изменяющегося согласования характеристик АЦ преобразователей со свойствами преобразуемого сигнала.

На чертеже приведена схема предлагаемого устройства, на которой приняты следующие обозначения: клемма 1 - первого входа устройства, выключатель 2, предохранитель 3 (плавкая вставка), кнопка 4 "Работа" второго переключателя, элемент 4 И-НЕ, управляющий триггер 6, выход 7 устройства, элемент 8 И-НЕ, первый преобразователь кодов 9, первый жгут 10, первый регистр 11, счетчик временных интервалов 12, элемент 13 задержки, разделительная емкость 14, управляющий триггер 15, элемент 16 задержки, элемент 17 ИЛИ-НЕ, генератор 18 импульсов, элемент 19 ИЛИ-НЕ, знакочувствительный вентиль 20, устройство 21 управления реверсивным счетчиком, реверсивный счетчик 22, элемент 23 НЕ, дифференциальный операционный усилитель 24, знакочувствительный переключатель 25, шина 26 преобразуемого сигнала, фильтр 27, цифроаналоговый преобразователь 28, второй жгут 29, третий жгут 30, второй преобразователь 31 кодов, четвертый жгут 32, входы 33 и 34 - дифференциальный операционный усилитель 35 разностного сигнала, ключи 36 и 37, выпрямитель 38, усилитель-ограничитель 39, элемент 40 И-НЕ, управляющий триггер 41, инвертор 42 НЕ, элемент 43 И-НЕ: диоды 45, пороговое устройство 46, элемент 47 ИЛИ-НЕ, нуль орган 48, элемент 49 И-НЕ, дифференцирующая цепочка 50, формирователь 51 импульсов, триггер 52 знака мантиссы, регистр 53, пятый жгут 54, третий преобразователь 55 кодов, элемент 56 ИЛИ-НЕ, элемент 57 И-НЕ, элемент 58 И-НЕ, кнопочные переключатели 59-60, кнопочный переключатель, шестой жгут 61, седьмой жгут 62, четвертый преобразователь 63 кодов, пятый преобразователь кодов 64, восьмой жгут 65, девятый жгут 66, первая группа контактов 67, вторая группа контактов 68, десятый жгут 64, одиннадцатый жгут 70, разряды 71 порядка второго регистра 58, двенадцатый жгут 72, цифроуправляемый резистор 73, элемент 74 И-НЕ, выход 75 устройства, элемент 76 И-НЕ, шестой преобразователь 77 кодов, группа контактов 78, третий элемент 79 задержки, четвертый вход 80 (клемма) устройства, шестой вход 81 "Запись", седьмой вход 82 устройства, восьмой вход 83 (клемма) "Сброс по адресу", девятый вход 84 (клемма) "Адрес первого регистра", 85 - десятый вход 83 (клемма) "Адрес второго регистра", одиннадцатый вход 86 (клемма) - "Адрес первого счетчика", двенадцатый вход 87 (клемма) - "Адрес второго счетчика", тринадцатый вход 88 устройства (клемма) "Адрес цифроуправляемого резистора", четырнадцатый вход 89 (клемма) "Режим преобразования сигнала большого динамического диапазона", пятнадцатый вход 90 (клемма) "Режим преобразования разностного сигнала, кнопка 91 "Запись" первого кнопочного переключателя, кнопка 92 "Считывание" первого кнопочного переключателя, кнопка 93 "Сброс общий" второго кнопочного переключателя, кнопка 94 "Адрес второго регистра", кнопка 95 "Адрес первого регистра", кнопка 96 "Адрес первого счетчика", кнопка 97 "Адрес второго счетчика", кнопка 98 "Адрес цифроуправляемого резистора", кнопка 99 "Режим преобразования сигнала большого динамического диапазона", кнопка 100 "Режим преобразования разностного сигнала", 101-108 элементы И-НЕ первого блока элементов И-НЕ, элементы 109-110 ИЛИ-НЕ первого блока элементов ИЛИ-НЕ, элементы 111-114 ИЛИ-НЕ второго блока элемeнтов ИЛИ-НЕ, элементы 115-118 ИЛИ-НЕ третьего блока элементов ИЛИ-НЕ, элементы 119-122 И-НЕ второго блока элементов И-НЕ, вход 123 устройства, управляющий триггер 124, логический элемент 125 ИЛИ-НЕ, выход 126 устройства, вход 127 устройства, элемент 128 И-НЕ, элемент 129 ИЛИ-НЕ, вход 130 устройства, управляющий триггер 131, усилитель 123 мощности, обмотка 133 реле, индикатор 134, вход 135 устройства.

Цифровая релаксационная следящая система работает следующим образом: необходимый полюс внешнего маломощного источника питания подводят к клемме 1 устройства (первому входу). Включают выключатель 2, что обеспечивает подвод питания соответствующими напряжениями цепей питания устройства, реализующего способ АЦ преобразования сигналов методом релаксационного следящего уравновешивания, проходящего, в частности, через предохранитель 3 на нормально разомкнутый контакт 4 "Работа". Подвижной контакт кнопки 4, связанный с ее ротором, соединен с одним из входов первого логического элемента И-НЕ 5. Поэтому при нажатии кнопки "Работа" создается сигнал, проходящий через логический элемент И-НЕ 5 на единичный вход первого управляющего триггера 6, который перебрасывается в единичное состояние. На первом выходе устройства (клемма 7) появится сигнал "Начало цикла АЦ преобразования", длящийся в течение всего цикла АЦ преобразования. Одновременно сигнал с выхода управляющего триггера 6 поступает на вход логического элемента И-НЕ 8, проходит на его выход, а далее на входы логических элементов ИЛИ-НЕ первого преобразователя кодов 9, другие входы которых возбуждены соответствующими сигналами с нулевых и единичных выходов триггеров первого регистра в зависимости от кода числа, записанного в этот регистр, соединенный жгутом 10 с соответствующими входами логических элементов ИЛИ-НЕ первого преобразователя кодов 9, выходы которого соединены с соответствующими входами счетчика временных интервалов. Поэтому код, дополняющий с учетом разрядности регистра 11 до кода интервала дискретности по времени АЦ преобразования, согласованного со свойствами преобразуемого сигнала по априорным данным, записывается в счетчик 12 временных интервалов. Этот код записывается в регистр 11 на этапе подготовки устройства, реализующего способ АЦ преобразования, к работе. Таким образом, сигнал, поступающий на вход логического элемента И-НЕ 8 с единичного выхода первого триггера 6 играет роль сигнала "Считывание информации из первого регистра в счетчик временных интервалов". Кроме того, сигнал с единичного выхода триггера 6 проходит через элемент задержки 13, длительность которого совпадает со временем записи кода числа из первого регистра 11 в счетчик временных интервалов 12, разделительную емкость 14 (не показана) и поступает на вход управляющего триггера 15, перебрасывая его в единичное состояние. Одновременно сигнал с выхода элемента 13 задержки проходит на выход последовательно с ним соединенного второго элемента 16 задержки, длительность которого рассчитывается так, чтобы начало счета импульсов в счетчике временных интервалов и в счетчике кода уровня преобразуемого сигнала осуществилось одновременно. С выхода элемента 16 задержки сигнал поступает на вход первого элемента ИЛИ-НЕ 17, второй вход которого возбужден импульсами генератора импульсов 18, импульсы которого начинают проходить на выход первого элемента ИЛИ-НЕ 17 и на соединенный с ним счетный вход счетчика временных интервалов 12, который начинает счет импульсов.

Одновременно с этим с единичного выхода управляющего триггера 15 управляющий сигнал поступает на первый вход элемента ИЛИ-НЕ 19, второй выход которого также возбужден импульсами генератора импульсов 18, которые проходят на его выход и на соединенный с ним первый вход знакочувствительного вентиля 20 с низким порогом срабатывания по уровню устройства управления реверсом счетчика 21, выход которого соединен с одним из входов информационного реверсивного счетчика (например, прямого счета) 22, другой вход которого (вход реверсивного счета) соединен через первый элемент НЕ 28 с выходом знакочувствительного вентиля 20, вход которого соединен с выходом дифференциального операционного усилителя 24, первый вход которого соединен с выходом знакочувствительного переключающего устройства 25, вход которого соединен с шиной преобразуемого сигнала 26, а второй вход дифференциального операционного усилителя 24 соединен с выходом фильтра 27, вход которого соединен с выходом цифроаналогового преобразователя 28, вход которого соединен вторым жгутом 29 с нулевыми и единичными выходами триггеров второго реверсивного счетчика 22.

Таким образом, сигналы, возникающие на единичном выходе триггера 15 и выходе элемента задержки 16, поступающие на соответствующие входы элемента ИЛИ-НЕ 17 и элемента ИЛИ-НЕ 19, синхронизированные импульсами генератора импульсов, поступающими на вторые их входы, являются управляющими сигналами "Начало счета импульсов (релаксационного уравновешивания)". Предварительно в реверсивный счетчик 22, нулевые и единичные входы которого с помощью третьего жгута 30 соединены с соответствующими выходами логических элементов второго преобразователя кодов 31 аналогично первому, входы которого с помощью четвертого жгута 32 соединены с соответствующими выходами первого регистра 11 считывают из первого регистра 11 код числа, дополняющего с учетом разрядности реверсивного счетчика 22 до кода начального уровня преобразуемого сигнала так, что и начальное уравновешивание осуществляется не по ординате преобразуемого сигнала, а по приращению между этой ординатой и предполагаемой ординатой сигнала в начальный момент преобразования, код которой и занесен на этапе подготовки устройства к работе в реверсивный счетчик 22, что увеличивает быстродействие преобразования сигналов в код. Таким образом, все циклы преобразования сигнала в устройстве осуществляют преобразования части приращений сигнала за короткий промежуток времени между релаксационным выключением работы элемент ИЛИ-НЕ 19 по сигналам системы управления операциями АЦ преобразования устройства на часть интервала дискретности по времени АЦ преобразования, размещенную между моментом равенства ординат преобразуемого сигнала и сигнала обратной связи и концом интервала дискретности по времени АЦ преобразования, которая зависит как от самой длительности этого интервала, согласованного со свойствами преобразуемого сигнала управлением этой длительностью, так и необходимостью обеспечить во времени операции считывания кода реверсивного счетчика в выходной регистр устройства, параллельно сформировав там дополнительные признаки - режим работы устройства, знак мантиссы кода числа и в случае преобразования разностного сигнала малого динамического диапазона - также и знак, и мантиссу кода порядка числа.

Интервал дискретности по времени АЦ преобразования выбирается исходя из обеспечения заданного наперед допустимого уровня погрешности АЦ преобразования, а релаксации в пределах части этого уровня не приводят к существенному увеличению погрешности АЦ преобразования, но наличие самой релаксации процесса облегчает построение системы управления технологическими операциями цикла АЦ преобразования, построенными по принципу формирования признаков начала и конца операции для управления операциями АЦ преобразования, выполняемыми последовательно во времени (нельзя считывать информацию без уравновешивания сигналов преобразуемого и обратной связи, а тем более выдавать ее оператору).

Релаксационность следящего преобразования с малой амплитудой позволяет выполнить саму следящую систему грубой (из не слишком точных элементов), если выполнен точным дифференциальный нуль-орган, фиксирующий момент равенства преобразуемого сигнала и сигнала обратной связи. При этом релаксация слабого уровня выводит следящую систему из равновесия и заставляет ее уравновешивать преобразуемый сигнал сигналом обратной связи, а точный дифференциальный нуль-орган фиксирует момент равенства преобразуемого сигнала. Если порог его чувствительности существенно меньше кванта дискретности по уровню преобразуемого сигнала, то использование релаксационного следящего уравновешивания может дать достаточно существенный эффект в уменьшении уровня погрешности АЦ преобразования устройством, реализующим релаксационный метод уравновешивания сигналов. Сама же следящая система при постоянно включенном элементе ИЛИ-НЕ 19, образованная из знакочувствительного переключателя входа 25, дифференциального операционного усилителя 24, знакочувствительного вентиля 20 управления реверсом счетчика (устройство управления реверсом счетчика 21, реверсивного счетчика 22 и цифроаналогового преобразователя 28 и фильтра 27) при бесконечно большой разрядности цифроаналогового преобразователя является непрерывной следящей системой.

Устойчивость ее работы обеспечивается выбором параметров фильтра (постоянная времени), разрядности цифроаналогового преобразователя, коэффициента усиления дифференциального усилителя, а при релаксационном уравновешивании также и параметров дифференциального нуль-органа так, чтобы переходный процесс системы был апериодическим близким к критическому.

Использование дифференциального нуль-органа с большим коэффициентом позволяет более точно выделить момент равенства преобразуемого сигнала и сигнала обратной связи, но использовать такой элемент в следящей системе может оказаться невозможным вследствие возможного появления в системе автоколебаний. Учитывая, что наличие дифференциального нуль-органа в системе управления операциями АЦ преобразования желательно, при реализации релаксационного метода уравновешивания при АЦ преобразовании можно не использовать дифференциальный операционный усилитель при определенном подборе параметров элементов, обеспечивающих устойчивость работы системы. Однако наличие такого элемента с не слишком большим коэффициентом усиления может оказать благоприятное воздействие на обеспечение устойчивости работы системы.

Заметим, что при достаточно небольшом количестве разрядов в цифроаналоговом преобразователе цифровой следящей системы непрерывная следящая система может себя вести как непрерывная релаксационная система, имея большую погрешность. Однако, при этом сигнале ошибки ее нельзя использовать для управления в системе управления операциями процесса АЦ преобразования. Вывести такую систему из режима релаксационных колебаний (уменьшить амплитуду релаксаций) можно загрублением системы, уменьшая коэффициент усиления дифференциального операционного усилителя. Но при этом естественно, увеличится непрерывная, гладкая и ненаблюдаемая внешне погрешность следящей системы, т. е. такая система требует аттестации по показаниям других более точных образцовых систем.

Таким образом, релаксационная цифровая следящая система, pеализующая АЦ преобразование, может при определенном выборе параметров элементов оказаться по уровню погрешности не хуже, а может быть и лучше непрерывной цифровой следящей системы.

При преобразовании разностного сигнала малого динамического диапазона, образованного приемом двух сигналов большого динамического диапазона соответственно на второй клемме 33 и третий входы клемма 34 устройства и подачей этих сигналов на соответствующие входы дифференциального операционного усилителя разности 35 с выхода этого усилителя сигнал поступает на информационный вход ключа 36, а при преобразовании сигнала большого динамического диапазона последний через клемму 38 подается на информационный вход ключа 37, управляемые входы которых получают сигнал на открытие измерительных ключей от системы управления режимом работы устройства. Выходы обоих ключей соединены с шиной преобразуемого сигнала 26, на которую поступает сигнал большого динамического диапазона, если подан сигнал на управляющий вход ключа 37, или разностный сигнал малого динамического диапазона, усиленный усилителем 35, если подан управляющий сигнал на управляющий вход первого измерительного ключа 36.

Преобразование усиленного разностного сигнала позволяет при АЦ преобразовании получить большее значение позиций мантиссы кода, что снижает погрешность АЦ преобразования этого сигнала.

Система управления выработкой сигнала "Режим преобразования разностного сигнала" и сигнала "Режим преобразования сигнала большого динамического диапазона и их запоминания на весь период обработки этого сигнала работает следующим образом: при наличии разностного сигнала на выходе дифференциального усилителя разностного сигнала 35 последний поступает на выпрямитель 38, проходит соединенный с ним последовательно усилитель-ограничитель 39 поступает на один из входов элемента И-НЕ 40, проходит на его выход и на связанный с ним единичный выход управляющего триггера 41, перебрасывая его в единичное состояние, а сигнал с единичного выхода этого триггера поступает на соединенный с ним вход ключа 36, открывая его и пропуская разностный сигнал малого динамического диапазона, усиленный усилителем 35, на шину преобразования сигнала 26.

При отсутствии второго сигнала большого уровня (режим преобразования сигнала большого динамического диапазона) на оба входа 33 и 34 подают один и тот же сигнал, благодаря чему на выходе дифференциального усилителя разностного сигнала 35 будет сигнал нулевого уровня, такой же сигнал будет на выходе усилителя-ограничителя, он поступает на инвертор 42, на выходе которого появится сигнал, который пройдет на выход элемента И-НЕ 43, соединенный с нулевым входом управляющего триггера 41, который в этом случае перейдет в нулевое состояние и сигнал с его нулевого выхода пройдет на управляющий вход ключа 37, пропуская сигнал большого динамического диапазона на шину преобразуемого сигнала 26 (при этом ключ 36 оказывается закрытым, поскольку на его управляющем входе сигнал отсутствует, поскольку управляющий триггер 41 находится в нулевом состоянии). Для обеспечения автоматической подачи преобразуемого сигнала высокого уровня на второй вход дифференциального операционного усилителя 35 при отсутствии сигнала большого динамического диапазона на третьем входе устройства (клемма 34) информационный вход ключа 44 соединен со вторым входом устройства (клемма 33), что информационный выход соединен через сборку двух диодов 45, у которой один положительный полюс первого диода соединен с отрицательным полюсом другого диода, а один из узлов этой сборки присоединен ко второму входу дифференциального операционного усилителя разностного сигнала 35, соединенному с третьим входом устройства (клемма 34), отсутствие сигнала на входе которого означает режим работы устройства по АЦ преобразованию сигнала большого динамического диапазона, а управляющий вход ключа 44 соединен с нулевым входом триггера 41. При пропадании или отсутствии сигнала на третьем входе (клемма 34) устройства один из диодов сборки, полюс которого находится под напряжением знака, совпадающего со знаком его проводимости, находится под некоторой разностью потенциалов, открывающей его в проводящее состояние и по цепи "второй вход устройства ключ 44, сборка диодов, соответствующий полюс источника питания" протечет ток, открывающий диодную сборку. При этом потенциалы обоих входов вследствие малого сопротивления цепи ключ 44 - диодная сборка 45, сравняются, а на выходе усилителя окажется низкий уровень сигнала, недостаточный для срабатывания триггера 41, т.е. он будет находиться в нулевом состоянии, соответствующем режиму "Режим преобразования сигнала большого динамического диапазона", а сам дифференциальный операционный усилитель разностного сигнала 35 окажется защищенным от перегрузки сигналом большого динамического диапазона. При появлении на третьем входе второго сигнала большого уровня, близкого по уровню к уровню первого сигнала, произойдет закрытие обоих диодов диодной сборки, сопротивление резко возрастет, на выходе дифференциального операционного усилителя разностных сигналов напряжение начнет возрастать, а на выходе усилителя-ограничителя 39 появится сигнал высокого уровня, который перебросит управляющий триггер 41 в единичное состояние, открыв ключ 36 (второй ключ 37 для основного сигнала большого динамического диапазона закрыт напряжением с нулевого выхода триггера 41) и пропустив разностный сигнал с выхода дифференциального операционного усилителя разностного сигнала на шину преобразуемого сигнала 26.

При этом ключ 44 и диодная сборка оказываются закрытыми, т.е. вся цепь, шунтирующая входное сопротивление дифференциального операционного усилителя 35, будет иметь большое сопротивление и не будет оказывать влияние на его работу в режиме разностного сигнала.

При пропадании сигнала на третьем входе устройства (клемма 34) один из диодов диодной сборки 45 окажется под большой разностью потенциалов и начнет пропускать ток, уменьшая его сопротивление. Потенциалы обоих входов дифференциального операционного усилителя разностных сигналов 35 начнут выравниваться, а на его входе напряжение будет уменьшаться. При достижении его уровня меньшего уровня порога усилителя-ограничителя 39 на выходе логического инвертора 42 появится сигнал, который, пройдя элемент И-НЕ 43, поступит на нулевой вход управляющего триггера 41, перебросив его в нулевое состояние. При этом откроется ключ 37 и ключ 44, а ключ 36 будет закрыт. На шину преобразуемого сигнала 26 поступит сигнал большого динамического диапазона со второго входа (клемма 33), а потенциалы на обоих входах дифференциального операционного усилителя 35 практически сравняются, защитив этот усилитель от перегрузки.

При появлении сигнала на шине преобразования 26 пороговое устройство 46 на первом выходе вырабатывает сигнал "Больше нуля", если преобразуемое напряжение имеет положительную полярность, а на втором выходе - сигнал "Меньше нуля", если преобразуемое напряжение имеет отрицательную полярность.

При появлении знака "Больше нуля" на выходе порогового устройства 46 он поступает на первый вход элемента ИЛИ-НЕ 47 и сохраняется на нем в течение всего присутствия положительного напряжения на шине преобразуемого сигнала 26. При сравнении преобразуемого напряжения и напряжения обратной связи, поступающего с выхода фильтра 27 нуль-орган 48 вырабатывает сигнал "Конец цикла АЦ преобразования", который поступает на первый вход элемента И-НЕ 49, проходит на его выход и перебрасывает управляющий триггер 15 в нулевое состояние. При этом сигнал на единичном выходе управляющего триггера 15 пропадает и элемент ИЛИ-НЕ 19 закрывается, закрывая также связанный с ним знакочувствительный вентиль 20, прекращая прохождение импульсов генератора импульсов 18 на вход реверсивного счетчика 22. Одновременно с этим передний фронт сигнала перехода управляющего триггера 15 в нулевое состояние, выделенный дифференцирующей цепочкой 50, формируется в соединенном с ним формирователе импульсов 51 в импульс, который поступает на второй вход элемента ИЛИ-НЕ 47, проходит на его выход и, поступая на связанный с ним единичный вход триггера знака мантиссы 52, нулевые и единичные входы которого соединены с помощью пятого жгута 54 с соответствующими входами третьего преобразователя кодов 55, аналогичного первому, выход которого соединен с соответствующими нулевыми и единичными входами реверсивного счетчика 22, перебрасывает этот триггер в единичное состояние, записывая, тем самым, в триггер 52 единицу, соответствующую положительному напряжению на шине преобразуемых сигналов и сигналу "Больше нуля" на выходе чувствительного порогового устройства 46.

При наличии на шине преобразуемых сигналов 26 отрицательного напряжения, пороговое устройство 46 выработает сигнал "Меньше нуля" на своем втором выходе, который поступит на первый вход элемента ИЛИ-НЕ 56 и будет сохраняться в течение всей длительности пребывания отрицательного сигнала на шине преобразуемых сигналов 26, и когда на его второй вход придет сигнал "Конец цикла АЦ преобразования" с выхода формирователя импульсов 51, сигнал пройдет на выход элемента ИЛИ-НЕ 56, пройдет на соединенный с его выходом вход элемента И-НЕ 57, пройдет на его выход и на соединенный с ним нулевой вход триггера 52 второго регистра, перебросив этот триггер в нулевое состояние и записав тем самым в него информацию о знаке преобразуемого сигнала.

Одновременно с записью знака преобразуемого напряжения в триггер 52 регистра осуществляется запись мантиссы числа из второго реверсивного счетчика 22 в разряды мантиссы числа регистра 58 по сигналу "Считывание информации из второго реверсивного счетчика в выходной (второй) регистр", формируемому формирователем импульса 51 при переходе управляющего триггера 15 в нулевое состояние и поступающему на вход элемента И-НЕ 58, проходящему на его выход и далее на объединенный вход логических элементов ИЛИ-НЕ третьего преобразователя кодов 55, разрешая тем самым считывание информации о мантиссе числа из второго реверсивного счетчика 22 в разряды мантиссы числа регистра 53.

В разрядах порядка числа регистра 53 записывают код числа ноль, если устройство работает в режиме преобразования сигнала большого динамического диапазона, и код коэффициента усиления дифференциального операционного усилителя разностного сигнала 35, устанавливаемый в соответствии с числом 10, где q - показатель степени, в которую необходимо возвести основание числа 10, чтобы с помощью коэффициента усиления усилителя 36 перевести разностный сигнал малого динамического диапазона в большой сигнал большого динамического диапазона, взятый со знаком "-", если устройство работает в режиме преобразования разностного сигнала малого динамического диапазона.

Запись порядка числа и знака, как и мантиссы числа, осуществляется на этапе предварительной подготовки устройства к работе или по сигналу внешнего управления от внешнего устройства. Для решения этой задачи выход предохранителя 3 соединен через переключатель 2 с первым входом устройства, соединенным с внешним источником питания, и с нормально разомкнутыми и нормально замкнутыми неподвижными контактами кнопок разрядов числа (по общему числу разрядов мантиссы и порядка числа с учетом знаков мантиссы и порядка), воспроизводящими соответственно сигналы единицы и нуля с помощью подвижных контактов, связанных с кнопкой первого кнопочного переключателя 59, содержащего также кнопки команд "Запись", "Считывание", "Сброс по адресу", другие команды "Работа", "Возвращение управления по требованию оператора", "Общий сброс элементов памяти", а также адреса "Регистр первый", "Регистр второй", "Счетчик первый", "Счетчик второй", "Цифроуправляемое сопротивление", и "Выполнить", а также "Режим работы с сигналом большого динамического диапазона", "Режим работы с сигналом разностным малого динамического диапазона", причем каждая команда и адрес вопроизводятся отдельной кнопкой, в которой напряжение источника питания подведено к нормально разомкнутым неподвижным контактам, воспроизводятся кнопками второго кнопочного переключателя 60.

В кнопочных переключателях предусмотрены кнопки сброса набранного кода, а также осуществлен сброс набранного кода при отпускании кнопки "Запись", что облегчает набор информации с переключателей, ускоряя процесс набора. Кроме того, при наборе кодов чисел необходимо набирать только единицы. Набранный на первом кнопочном переключателе код мантиссы и порядка числа с помощью соответственно шестого 51 и седьмого 62 жгутов передают набранную информацию на первые входы логических элементов И-НЕ соответственно четвертого 63 (мантиссы числа) и пятого 64 (порядка числа) преобразователей кодов, вторые входы которых соединены соответственно с помощью восьмого 65 и девятого 66 жгутов соответственно с первой 67 и второй 68 группами контактов устройства, образующих соответственно четвертый и пятый входы устройства.

На этапе предварительной подготовки устройства к работе набирают следующие коды: код, дополняющий с учетом разрядности реверсивного счетчика 22 до кода начального значения преобразуемого сигнала, засылаемый в реверсивный счетчик, код величины резистора обратной связи, который необходимо установить в обратной связи дифференциального операционного усилителя разностного сигнала 35, чтобы обеспечить требуемый коэффициент усиления усилителя, переводящий преобразуемый разностный сигнал малого динамического диапазона в сигнал большого динамического диапазона, код коэффициента усиления этого усилителя (набирается с помощью разрядов знака и мантиссы порядка числа первого переключателя 59 и хранится в разрядах знака и мантиссы порядка числа второго регистра 53, сопровождая в режиме "Режим преобразования разностного сигнала" получаемую при преобразовании мантиссу числа), код, дополняющий с учетом разрядности первого счетчика 12 до кода интервала дискретизации АЦ преобразования согласуемого со свойствами преобразуемого сигнала (набирается последним и хранится в первом регистре в течение всего времени работы устройства и может меняться по сигналам управления от внешнего устройства, например, микроЭВМ).

При заполнении счетчика временных интервалов 22 сигнал с шины кольцевого переноса используется в качестве предварительного сигнала "Конец интервала времени дискретизации по времени АЦ преобразования". Этот сигнал поступает на вход элемента И-НЕ 74, проходит на его выход и, поступая на нулевой вход триггера 6, перебрасывает его в нулевое состояние. Сигнал с нулевого выхода первого триггера рассматривается как сигнал "Считывание преобразованной информации из второго регистра во внешнюю систему - потребитель". Он поступает на второй вход устройства (клемма 75) и на вход элемента И-НЕ 76, проходит на его выход и поступает на объединенные входы логических элементов ИЛИ-НЕ шестого преобразователя кодов 77, состоящего из набора логических элементов ИЛИ-НЕ, вторые входы которых соединены с соответствующими нулевыми и единичными выходами триггеров второго регистра 53, пропуская код, хранящийся в выходном втором регистре 53 на выход этих элементов и на соединенную с этими выходами третью группу контактов 78, являющихся третьим выходом устройства.

Таким образом, осуществлен полный цикл АЦ преобразования от его начала до выдачи информации потребителю.

Предварительный сигнал с нулевого выхода триггера 6 проходит элемент задержки 79 и поступает на вход элемента И-НЕ 5, а также на четвертый выход устройства (клемма 80), выдавая потребителю сигнал "Конец интервала дискретизации АЦ преобразования". Этот сигнал проходит на выход элемента И-НЕ 5 и на связанный с ним единичный вход управляющего триггера 6, перебрасывая его в единичное состояние. Сигнал с выхода элемента И-НЕ 5 поступает на первый выход (клемма 7), выдавая сигнал "Начало цикла АЦ преобразования", а с выхода первого триггера снимаем сигнал "Считывание информации из первого регистра в первый счетчик", автоматически повторяющие управляющие сигналы технологическими операциями цикла АЦ преобразования.

Таким образом, система управления процессом АЦ преобразования автоматически вырабатывает последовательность управляющих сигналов технологическими операциями процесса АЦ преобразования - "Начало цикла АЦ преобразования", "Считывание информации из первого регистра в первый счетчик", "Начало счета импульсов", "Конец цикла АЦ преобразования", "Выдача информации потребителю", "Конец интервала дискретности по времени процесса АЦ преобразования", циклически повторяющуюся во времени, в которой моменты появления сигналов размещены друг за другом на оси времени на расстояниях, согласованных со свойствами устройства, реализующего АЦ преобразование, и со свойствами сигнала, подвергаемого АЦ преобразованию.

Формула изобретения

СЛЕДЯЩИЙ АНАЛОГО-ЦИФРОВОЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ, содержащий генератор импульсов, выход которого соединен с первым входом первого элемента ИЛИ - НЕ, первый управляющий триггер, дифференциальный операционный усилитель, выход которого соединен с первым входом блока управления реверсом счетчика, первый и второй выходы которого соединены со счетными входами реверсивного счетчика соответственно прямого и обратного счета, выходы которого соединены с соответствующими входами цифроаналогового преобразователя, нуль-орган, отличающийся тем, что в него введены два кнопочных переключателя, три ключа, блок диодов, выпрямитель, усилитель-ограничитель, пороговое устройство, формирователь импульсов, дифференцирующая цепочка, фильтр, два резистора, счетчик временных интервалов, четыре управляющих триггера, три элемента задержки, две группы элементов И - НЕ, три группы элементов ИЛИ - НЕ, десять элементов И - НЕ, шесть элементов ИЛИ - НЕ, инвертор, предохранитель, выключатель, цифроуправляемый резистор, выполненный на регистре, резистивном делителе и блоке из n последовательно соединенных ключей, управляющие входы которых соединены с соответствующими выходами регистра, два резистора, дифференциальный усилитель разности, знакочувствительный переключатель, семь преобразователей кодов, каждый из которых выполнен на 2n элементах ИЛИ - НЕ и n элементах И - НЕ, первые входы элементов И - НЕ объединены и являются первым входом преобразователя кодов, вторым входом которого являются объединенные входы элементов ИЛИ - НЕ, выходы которых являются выходами преобразователя кодов, а вторые входы с первого по n-й элемент ИЛИ - НЕ являются первой группой входов преобразователя кодов, второй группой входов которого являются вторые входы элементов И - НЕ, выходы которых соединены с вторыми входами элементов ИЛИ - НЕ с (n + 1)-го по 2n-й, при этом выход подвижного контакта выключателя является первой входной шиной, а вывод нормально разомкнутого контакта через предохранитель соединен с первым и вторым кнопочными переключателями, первый выход первого из которых соединен с первым входом первого элемента И - НЕ, выход которого является первой выходной шиной и соединен с входом установки в единицу первого управляющего триггера, прямой выход которого соединен с первым входом второго элемента И - НЕ, выход которого соединен с вторым входом первого преобразователя кодов, первая и вторая группы входов которого соединены с соответствующими прямыми и инверсными выходами первого регистра соответственно, а выходы соединены с соответствующими входами предустановки счетчика временных интервалов, счетный вход которого соединен с выходом второго элемента ИЛИ - НЕ, первый вход которого через первый элемент задержки объединен с входом установки в единицу второго управляющего триггера и подключен к выходу второго элемента задержки, вход которого соединен с прямым выходом первого управляющего триггера, второй вход второго элемента ИЛИ - НЕ соединен с выходом генератора импульсов, а выход первого элемента ИЛИ - НЕ - с вторым входом блока управления реверсом счетчика, первый вход дифференциального операционного усилителя через знакочувствительный переключатель соединен с выходами первого и второго ключей, а второй вход через фильтр соединен с выходом цифроаналогового преобразователя, входы предустановки реверсивного счетчика соединены с соответствующими выходами второго преобразователя кодов, первая и вторая группа входов которого объединены с соответствующими входами первой и второй групп входов первого преобразователя кодов соответственно, первый вход дифференциального усилителя разности соединен с первым выводом резистивного делителя, входом первого ключа блока ключей, через первый резистор - с информационными входами первого и третьего ключей и является второй входной шиной преобразователя, третьей входной шиной которого является первый вывод второго резистора, объединенный с выходом блока диодов, вход которого соединен с выходом третьего ключа, второй вывод второго резистора соединен с вторым входом дифференциального усилителя разности, выход которого объединен с вторым выводом резистивного делителя, выходом n-го ключа блока ключей, информационным входом второго ключа и соединен с вторым входом фильтра и через выпрямитель с входом усилителя-ограничителя, выход которого соединен с первым входом третьего элемента И - НЕ, а через инвертор с первым входом четвертого элемента И - НЕ, выход которого и выход третьего элемента И - НЕ соединен соответственно с входом установки в ноль и входом установки в единицу третьего управляющего триггера, прямой и инверсный выходы которого соединены с управляющими входами соответственно второго и первого ключей, выход последнего из которых соединен с первым входом порогового устройства, второй вход которого является шиной нулевого потенциала, первый выход соединен с первым входом третьего элемента ИЛИ - НЕ, второй вход которого объединен с первым входом четвертого элемента ИЛИ - НЕ и подключен к выходу формирователя импульсов, вход которого через дифференцирующую цепочку подключен к инверсному выходу второго управляющего триггера, вход установки в ноль которого соединен с выходом пятого элемента И - НЕ, первый вход которого соединен с выходом нуль-органа, первый и второй входы которого соединены соответственно с выводом первого ключа и выходом фильтра, причем выход третьего элемента ИЛИ - НЕ соединен с входом установки в единицу триггера знака мантиссы второго регистра, вход установки в ноль которого соединен с выходом шестого элемента И - НЕ, первый вход которого соединен с выходом четвертого элемента ИЛИ - НЕ, при этом входы первой группы входов второго регистра соединены с соответствующими выходами третьего преобразователя кодов, выход первого элемента ИЛИ - НЕ соединен с первым входом седьмого элемента И - НЕ, выход которого соединен с вторым входом третьего преобразователя кодов, первая и вторая группа выходов второго кнопочного переключателя соединены с соответствующими входами первых групп входов соответственно четвертого и пятого преобразователей кодов, входы вторых групп входов которых являются соответственно четвертым и пятым входами преобразователя, а выходы соединены с соответствующими входами первого регистра и второй группы входов второго регистра, причем первый и второй входы четвертого преобразователя входов объединены с соответствующими входами пятого преобразователя кодов, а выходы первого регистра соединены с соответствующими входами первой и второй групп входов шестого преобразователя кодов, выходы которого соединены с соответствующими входами регистра цифро-управляемого резистора, выход кольцевого переноса старшего разряда счетчика временных интервалов соединен с первым входом восьмого элемента И - НЕ, выход которого соединен с входом установки в ноль первого управляющего триггера, инверсный выход которого является вторым выходом преобразователя и соединен с первым входом девятого элемента И - НЕ, выход которого соединен с вторым входом седьмого преобразователя кодов, входы первой и второй группы входов которого соединены с соответствующими выходами второго регистра, прямыми и инверсными выходами третьего управляющего триггера и триггера знака мантиссы второго регистра, при этом выходы седьмого преобразователя кодов являются третьим выходом преобразователя, инверсный выход первого управляющего триггера через третий элемент задержки соединен с вторым входом первого элемента И - НЕ, входами устройства с шестого по тринадцатый являются первые входы элементов И - НЕ первого блока элементов И - НЕ, вторые входы которых соединены соответственно с первым, вторым и третьим выходами второго кнопочного переключателя и со второго по шестой выходами первого кнопочного переключателя, а выходы с первого по восьмой элементов И - НЕ первой группы элементов И - НЕ соединены соответственно: первого - с первыми входами элементов ИЛИ - НЕ первой группы элементов ИЛИ - НЕ, второго - с первыми входами элементов ИЛИ - НЕ второй группы элементов ИЛИ - НЕ, третьего - с первыми входами элементов ИЛИ - НЕ третьей группы элементов ИЛИ - НЕ, четвертого - с вторым входом первого элемента ИЛИ - НЕ первого блока элементов ИЛИ - НЕ, пятого - с вторыми входами четвертых элементов ИЛИ - НЕ второго и третьего блоков элементов ИЛИ - НЕ и вторым входом второго элемента ИЛИ - НЕ второго блока элементов ИЛИ - НЕ, выход которого соединен с вторым входом девятого элемента И - НЕ, шестого - с вторыми входами первого и второго элементов ИЛИ - НЕ соответственно второго и третьего блоков элементов ИЛИ - НЕ, седьмого - с вторыми входами второго и третьего элементов ИЛИ - НЕ соответственно третьего и второго блоков элементов ИЛИ - НЕ, восьмого - с вторым входом третьего элемента ИЛИ - НЕ второго блока элементов ИЛИ - НЕ, при этом выход первого элемента ИЛИ - НЕ первого блока элементов ИЛИ - НЕ соединен с вторым входом четвертого преобразователя кодов, а выходы с первого по четвертый элементов ИЛИ - НЕ второго блока элементов ИЛИ - НЕ соединены соответственно: первого - с вторым входом второго элемента И - НЕ, второго - с вторым входом второго преобразователя кодов, третьего - с вторым входом шестого преобразователя кодов, а четвертого - с вторым входом седьмого элемента И - НЕ, причем выход первого элемента ИЛИ - НЕ третьего блока элементов ИЛИ - НЕ соединен с первым входом первого элемента И - НЕ второго блока элементов И - НЕ, второй вход которого объединен с вторым входом восьмого элемента И - НЕ, является третьей выходной шиной и соединен с седьмым выходом первого кнопочного переключателя, выход второго элемента ИЛИ - НЕ третьего блока элементов ИЛИ - НЕ соединен с первым входом второго элемента И - НЕ второго блока элементов И - НЕ, второй вход которого объединен с первыми входами третьего и четвертого элементов И - НЕ второго блока элементов И - НЕ и подключен к седьмому выходу первого кнопочного переключателя, выходы третьего и четвертого элементов ИЛИ - НЕ третьего блока элементов ИЛИ - НЕ соединены соответственно с вторыми входами третьего и четвертого элементов И - НЕ второго блока элементов И - НЕ, выход первого из которых соединен с первым входом второго преобразователя кодов, выход четвертого элемента И - НЕ второго блока элементов И - НЕ объединен с вторым входом четвертого элемента И - НЕ и соединен с первым входом третьего преобразователя кодов, а первые входы первого и четвертого преобразователей кодов соединены соответственно с выходами второго и первого элементов И - НЕ второго блока элементов И - НЕ, при этом четырнадцатым и пятнадцатым входами преобразователя являются соответственно третий вход четвертого элемента И - НЕ и второй вход третьего элемента И - НЕ, четвертый и третий входы которых являются соответственно восьмым и девятым выходами первого кнопочного переключателя, десятый выход которого соединен с первым входом десятого элемента И - НЕ, второй вход которого является шестнадцатым входом преобразователя, семнадцатым входом которого является вход установки в единицу четвертого управляющего триггера, вход установки в ноль которого соединен с выходом десятого элемента И - НЕ, а прямой и инверсный выходы соединены с первыми входами соответственно пятого и шестого элементов ИЛИ - НЕ, выход первого из которых является четвертым выходом устройства, а выход шестого элемента ИЛИ - НЕ соединен с третьим входом первого элемента ИЛИ - НЕ, четвертый вход которого является восемнадцатым входом устройства, а девятнадцатым входом является второй вход шестого элемента ИЛИ - НЕ, второй вход пятого элемента ИЛИ - НЕ объединен с первым входом восьмого элемента И - НЕ, второй вход которого объединен с вторым входом пятого элемента И - НЕ.

РИСУНКИ

Рисунок 1