Преобразователь код - аналог

 

Изобретение относится к автоматике и может быть использовано для преобразования цифровых сигналов в аналоговые. Техническим результатом является повышение точности. Преобразователь содержит источник широтно-модулированного сигнала, источник опорного напряжения, ключи, инвертирующий интегратор, устройство выборки-хранения, элемент И, счетчик и дешифратор. 1 табл., 2 ил.

Предлагаемое изобретение относится к электрическим схемам цифроаналоговых преобразователей и может применяться при построении цифровых измерительных приборов и аналого-цифровых вычислительных устройств.

Существует простой и достаточно точный преобразователь с использованием устройства выборки-хранения (УВХ) информации [1, рис. 40]. Он состоит из источника преобразуемого кодового сигнала, представленного в широтно-модулированной (ШИМ) форме, источника опорного напряжения, ключа, двухвходового интегратора, УВХ. Однако недостатком этого преобразователя является низкое быстродействие, так как период повторения ШИМ-сигнала не может быть меньше миллисекунд - сотен микросекунд вследствие необходимости стробирования выборки коротким импульсом, длительность которого должна быть много меньше периода повторения ШИМ-сигнала.

Из числа аналогов наиболее близким по технической сущности является преобразователь код-аналог [2], который и выбран в качестве прототипа. Прототип имеет значительно более высокое быстродействие по сравнению с устройством [1] вследствие того, что нет необходимости в выработке короткого стробирующего импульса для записи информации в УВХ.

В состав прототипа входит источник ШИМ-сигнала, источник опорного напряжения (ИОН), первый и второй ключи, инвертирующий интегратор, устройство выборки-хранения (УВХ), элемент "И", счетчик и резистор обратной связи, причем входом интегратора, состоящего из резистора, конденсатора и операционного усилителя, является первый вывод резистора, второй вывод которого объединен с первым выводом конденсатора и с инвертирующим входом операционного усилителя, неинвертирующий вход которого соединен с общей точкой, а выход соединен со вторым выводом конденсатора и является выходом интегратора, выход ИОН соединен с информационным входом второго ключа, соединенного по выходу со входом интегратора, выход которого подключен к информационному входу УВХ, выход которого является выходом устройства и соединен с информационным входом первого ключа, а выход источника ШИМ-сигнала соединен со счетным входом счетчика и с первым входом элемента "И", выход которого соединен с управляющим входом второго ключа, резистор обратной связи соединен своим первым выводом с выходом первого ключа, а вторым выводом с инвертирующим входом операционного усилителя интегратора, прямой выход счетчика соединен с управляющим входом первого ключа и со вторым входом элемента "И", а инверсный выход - счетчика подключен к управляющему входу УВХ.

Прототип осуществляет двухтактное преобразование относительной длительности импульса входного ШИМ-сигнала τ_и/T в пропорциональное ей напряжение. Здесь τ_и - длительность импульса, а Т - период ШИМ-сигнала.

Недостатком прототипа является невысокая точность, так как в результат преобразования входит погрешность, обусловленная разностями фактических значений сопротивлений резистора интегратора и резистора обратной связи.

Технический результат предполагаемого изобретения состоит в повышении точности работы преобразователя.

Задачей предполагаемого изобретения является создание преобразователя код-аналог с единственным трактом интегрирования, благодаря чему исключается погрешность, вызванная неидентичностью резисторов.

Поставленная задача решается путем создания устройства, содержащего источник ШИМ-сигнала, источник опорного напряжения, первый и второй ключи, инвертирующий интегратор, устройство выборки-хранения, элемент "И", счетчик, причем входом интегратора, состоящего из резистора, конденсатора и операционного усилителя является первый вывод резистора, второй вывод которого объединен с первым выводом конденсатора и с инвертирующим входом операционного усилителя, неинвертирующий вход которого соединен с общей точкой, а выход соединен со вторым выводом конденсатора и является выходом интегратора, выход источника опорного напряжения соединен с информационным входом второго ключа, соединенного по выходу со входом интегратора, выход которого подключен к информационному входу устройства выборки-хранения, выход которого является выходом устройства и соединен с информационным входом первого ключа, а выход источника ШИМ-сигнала соединен со счетным входом счетчика и с первым входом элемента "И", выход которого соединен с управляющим входом второго ключа. Из заявляемого устройства исключен резистор обратной связи и введен дешифратор, причем первый и второй прямые выходы счетчика подключены соответственно к первому и второму входам дешифратора, нулевой, первый, второй и третий выходы которого подключены соответственно ко второму входу элемента "И", управляющему входу первого ключа, управляющему входу устройства выборки-хранения и входу сброса счетчика, а выход первого ключа соединен со входом интегратора.

Сущность предполагаемого изобретения поясняется чертежами, где на фиг. 1 представлена схема предполагаемого изобретения, а на фиг. 2 - временные диаграммы его работы.

Преобразователь содержит источник ШИМ-сигнала 1, источник опорного напряжения (ИОН) 2, первый 3 и второй 4 ключи, инвертирующий интегратор 5, устройство выборки-хранения (УВХ) 6, элемент "И" 7, счетчик 8 и дешифратор 9, причем входом интегратора 5, состоящего из резистора 10, конденсатора 11 и операционного усилителя 12, является первый вывод резистора 10, второй вывод которого объединен с первым выводом конденсатора 11 и с инвертирующим входом операционного усилителя 12, неинвертирующий вход которого соединен с общей точкой, а выход соединен со вторым выводом конденсатора 11 и является выходом интегратора, выход ИОН 2 соединен с информационным входом второго ключа 4, соединенного по выходу со входом интегратора 5, выход которого подключен к информационному входу УВХ 6, выход которого является выходом устройства и соединен с информационным входом первого ключа 3, а выход источника ШИМ-сигнала 1 соединен со счетным входом счетчика 8 и с первым входом элемента "И" 7, выход которого соединен с управляющим входом второго ключа 4, первый и второй прямые выходы счетчика 8 соединены соответственно с первым и вторым входами дешифратора 9, нулевой, первый, второй и третий выходы которого подключены соответственно ко второму входу элемента "И" 7, управляющему входу первого ключа 3, управляющему входу УВХ 6 и входу сброса счетчика 8, а выход первого ключа 3 соединен со входом интегратора 5.

На выходе источника ШИМ-сигнала 1 действует периодический импульсный сигнал с периодом Т. Время между моментами начала соседних импульсов назовем тактом. Такт, который начинается в момент времени to, будем считать первым.

Преобразователь осуществляет трехтактное преобразование относительной длительности импульса ШИМ-сигнала в напряжение с распределением во времени процессов накопления входного сигнала и сигнала по обратной связи, а также выборки напряжения интегратора устройством выборки-хранения. Значения логических сигналов на выходах счетчика 8 и дешифратора 9, состояния первого 3 и второго 4 ключей, а также УВХ 6 для различных интервалов времени одного цикла приведены в табл. 1.

Преобразователь работает следующим образом.

Пусть в начальный момент времени t₀ счетчик 8 содержит значение "0", что соответствует первой строке табл. 1. На выходе интегратора 5 действует некоторое исходное напряжение U_и⁰. Первый ключ 3 разомкнут, а УВХ 6 находится в режиме хранения, управляемые нулевыми сигналами соответственно с первого и второго выходов дешифратора 9. На выходе УВХ 6 действует некоторое напряжение U₀.

В первом такте в течение импульса ШИМ-сигнала (строка 1, табл. 1) напряжение U_оп от ИОН 2 через второй ключ 4, замкнутый управляющим сигналом с выхода элемента "И" 7, проходит на вход интегратора 5, который накапливает это напряжение и формирует выходной сигнал U_и¹.

В момент окончания импульса ШИМ-сигнала t'₀ (строка 2, табл 1) элемент "И" 7 вырабатывает нулевой управляющий сигнал, размыкающий второй ключ 4. Напряжение U_оп перестает проходить на вход интегратора 5, который переходит в режим хранения информации. На выходе интегратора 5 действует некоторое напряжение U_и¹.

Во втором такте (строка 3, табл. 1), с приходом импульса ШИМ-сигнала счетчик 8 переходит в состояние 1, первый ключ 3 замыкается единичным сигналом с первого выхода дешифратора 9, а второй ключ 4 остается разомкнутым, в результате чего напряжение U₀ с выхода УВХ поступает на вход интегратора 5 и формирует на его выходе напряжение, равное некоторому значению U_и².

В третьем такте (строка 4, табл. 1), с приходом импульса ШИМ-сигнала счетчик 8 переходит в состояние 2, первый ключ 3 размыкается нулевым сигналом с первого выхода дешифратора 9, а второй ключ 4 остается разомкнутым. УВХ 6, управляемое единичным сигналом со второго выхода дешифратора 9, переходит в режим выборки. На выходе УВХ 6 (т.е. на выходе устройства) устанавливается напряжение U₁, равное U_и².

В следующем такте (строка 5, табл. 1), с приходом импульса ШИМ-сигнала, счетчик 8 переходит в состояние 3. Спустя незначительное время задержки t_зад, вносимой дешифратором 9, он сбрасывается в исходное состояние 0 (строка 1, табл. 1) под воздействием положительного фронта управляющего сигнала с третьего выхода дешифратора 9. Очевидно, что этот такт работы устройства будет протекать аналогично первому такту, и, следовательно, процесс будет циклически повторяться.

В дальнейшем каждый из трех последовательных тактов работы преобразователя будут аналогичным соответственно первому, второму и третьему тактам. Эту последовательность тактов будем называть циклом. Длительность импульса на выходе источника ШИМ-сигнала 1 в первом такте n-го цикла мы обозначим τ_n, а во вторых и третьих тактах циклов длительность импульса не имеет значения, так как не влияет на работу преобразователя. Напряжение на выходе устройства в конце n-го цикла обозначим U_n.

Как уже отмечалось, напряжение на выходе устройства в конце каждого цикла устанавливается равным напряжению на выходе интегратора 5 в конце второго такта этого цикла. На выходе интегратора в конце второго такта n-го цикла (а следовательно, и на выходе устройства в конце этого цикла) будем иметь: (1) где τ = RC - постоянная времени интегратора 5, определяемая значениями сопротивления R резистора 10 и емкости С конденсатора 11, входящих в состав интегратора 5; U_n-1 - напряжение на выходе устройства в предыдущем, (n-1)-м цикле.

Так как U_n-1 и U_оп, очевидно, являются константами для цикла n, выражение (1) может быть преобразовано: Для установившегося режима, когда τ_n= τ_n-1, где τ_n-1 - длительность импульса в цикле, предшествующем рассматриваемому, U_n-1 = U_n. Тогда выражение (2) примет следующий вид: где коэффициент передачи устройства К = -U_оп.

Как следует из выражения (1), напряжение на выходе устройства в конце произвольного цикла n зависит только от двух величин, изменяющихся в процессе работы: длительности импульса ШИМ-сигнала в первом такте этого цикла τ_n и напряжения на выходе устройства в конце предыдущего цикла U_n-1. Таким образом, при изменении длительности импульса ШИМ-сигнала в первом такте (n+1)-го цикла на величину Δτ процесс перейдет в установившийся режим в конце этого цикла, т.е. через три такта:

Отметим, что первый ключ 3 замыкает цепь обратной связи интегратора 5 на время, равное длительности одного такта. Следовательно, время выборки УВХ 6 может также достигать величины периода ШИМ-сигнала Т_выб, как у прототипа.

Из выражений (3) и (4) видно, что коэффициент передачи устройства в принципе не зависит от значения постоянной времени интегратора τ. Тем самым показано, что присущая прототипу погрешность, вызываемая неидентичностью резисторов во входных цепях интегратора, в заявляемом устройстве отсутствует, а значит, повышена точность преобразования относительной длительности импульса ШИМ-сигнала в выходное напряжение.

Кроме отмеченного повышения точности, устройство обладает лучшей технологичностью. Согласно вышесказанному, в структуру преобразователя код-аналог введен один цифровой элемент - дешифратор. Из нее также исключен один аналоговый элемент, к которому предъявляются жесткие требования по точности, а именно резистор. В настоящее время цифровые компоненты значительно доступнее и практичнее прецизионных аналоговых, так как они относительно дешевле, более технологичны в интегральном исполнении и имеют существенно лучшие массо-габаритные показатели по сравнению с дискретными прецизионными и сверхпрецизионными элементами. Тем самым достигается упрощение преобразователя код-аналог по сравнению с прототипом, повышается надежность устройства, снижается его стоимость.

ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ
1. Гутников B. C. Применение операционных усилителей в измерительной технике. -Л.: Энергия, 1983.

2. А.С. 1508347 СССР, МПК⁶ H 03 М 1/66. Преобразователь код-аналог /Н.М. Сафьянников, В.Б. Смолов, Е.П.Угрюмов, А.П.Потоцкий (РФ). - Опубл. 20.03.99, Бюл. N8, 1999 г. (прототип).

Формула изобретения

Преобразователь код-аналог, содержащий источник широтно-модулированного сигнала, источник опорного напряжения, первый и второй ключи, инвертирующий интегратор, устройство выборки-хранения, элемент И, счетчик причем входом интегратора, состоящего из резистора, конденсатора и операционного усилителя, является первый вывод резистора, второй вывод которого объединен с первым выводом конденсатора и с инвертирующим входом операционного усилителя, неинвертирующий вход которого соединен с общей точкой, а выход соединен со вторым выводом конденсатора и является выходом интегратора, выход источника опорного напряжения соединен с информационным входом второго ключа, соединенного по выходу со входом интегратора, выход которого подключен к информационному входу устройства выборки-хранения, выход которого является выходом устройства и соединен с информационным входом первого ключа, а выход источника широтно-модулированного сигнала соединен со счетным входом счетчика и с первым входом элемента И, выход которого соединен с управляющим входом второго ключа, отличающийся тем, что в него введен дешифратор, причем первый и второй прямые выходы счетчика подключены соответственно к первому и второму входам дешифратора, нулевой, первый, второй и третий выходы которого подключены соответственно ко второму входу элемента И, управляющему входу первого ключа, управляющему входу устройства выборки-хранения и входу сброса счетчика, а выход первого ключа соединен со входом интегратора.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3