Аналого-цифровой преобразователь

Изобретение относится к области электротехники, а именно к устройствам преобразования аналоговых сигналов в цифровой код. Техническим результатом является повышение точности преобразования. Устройство содержит интегратор на усилителе постоянного тока, источник образцового напряжения, коммутатор, генератор, пороговое устройство, блок управления, триггер, инверторы, элементы 2И-НЕ, реверсивный счетчик, регистр, процессор. 4 ил.

 

Изобретение относится к области электротехники, а именно к устройствам преобразования аналоговых сигналов в цифровой код.

Известен аналого-цифровой преобразователь [1], содержащий схему сравнения, подключенную к генератору, датчик преобразуемого напряжения, блок управления, соединенный с генератором импульсов, счетчик.

Наиболее близким по технической сущности является аналого-цифровой преобразователь, содержащий интегратор на усилителе постоянного тока, пороговое устройство, коммутатор, источник образцового напряжения с выходами положительного и отрицательного потенциалов, генератор с первым выходом первой тактовой частоты, блок управления, первый триггер, счетчик, причем вход аналого-цифрового преобразователя и выход коммутатора подключены к входу усилителя постоянного тока, выход которого подключен к первому входу порогового устройства, выход порогового устройства соединен с первым входом триггера, инверсный выход которого подключен к управляющему входу коммутатора, выходы положительного и отрицательного потенциалов источника образцового напряжения подключены к входам коммутатора, первый выход блока управления подключен к входу обнуления счетчика.

Недостатком такого аналого-цифрового преобразователя является погрешность преобразования аналогового сигнала в цифровой код вследствие потери информации при преобразовании.

Техническим результатом изобретения является повышение точности преобразования аналогового сигнала в цифровой код.

Данный результат достигается в аналого-цифровом преобразователе, содержащем интегратор на усилителе постоянного тока, пороговое устройство, коммутатор, источник образцового напряжения с выходами положительного и отрицательного потенциалов, генератор с первым выходом первой тактовой частоты, блок управления, первый триггер, счетчик, причем вход аналого-цифрового преобразователя и выход коммутатора подключены к входу усилителя постоянного тока, выход которого подключен к первому входу порогового устройства, выход порогового устройства соединен с первым входом триггера, инверсный выход которого подключен к управляющему входу коммутатора, выходы положительного и отрицательного потенциалов источника образцового напряжения подключены к входам коммутатора, первый выход блока управления подключен к входу обнуления счетчика, тем, что введены первый и второй инверторы, первое и второе логические устройства 2И-НЕ, регистр, процессор, в качестве счетчика применен реверсивный счетчик, генератор дополнительно имеет второй выход второй тактовой частоты, по крайней мере, в два раза меньшей первой тактовой частоты, третий выход третьей тактовой частоты, по крайней мере, на два порядка меньшей первой тактовой частоты, четвертый выход с напряжением пилообразной формы, частота которого больше третьей тактовой частоты, но меньше второй тактовой частоты по крайней мере на порядок, к второму входу порогового устройства подключен четвертый выход генератора, второй выход генератора подключен к тактовому входу первого триггера и к входу первого инвертора, выход которого подключен к первым входам первого и второго логических устройств 2И-НЕ, к инверсному выходу первого триггера подключены второй вход второго логического устройства 2И-НЕ и вход второго инвертора, к выходу которого подключен второй вход первого логического устройства 2И-НЕ, выход первого логического устройства 2И-НЕ подключен к первому входу блока управления, к второму входу которого подключен выход второго логического устройства 2И-НЕ, к третьему входу блока управления подключен первый выход генератора, третий выход которого подключен к четвертому входу блока управления, второй выход блока управления подключен к суммирующему входу реверсивного счетчика, к вычитающему входу которого подключен третий выход блока управления, четвертый выход блока управления подключен к входу разрешения записи регистра, выход реверсивного счетчика соединен многопроводной линией с входом данных регистра, выход которого соединен многопроводной линией с входом процессора, выход процессора подключен к входу разрешения чтения регистра, блок управления выполнен на третьем, четвертом, пятом, шестом, седьмом, восьмом, девятом и десятом инверторах, втором, третьем, четвертом, пятом, шестом, седьмом и восьмом триггерах, третьем, четвертом и пятом логических устройствах 2И-НЕ, логическом устройстве И, триггеры с первого по восьмой по счету выполнены как D-триггеры, вход третьего инвертора является первым входом блока управления, вход четвертого инвертора является вторым входом блока управления, к выходу третьего инвертора подсоединен вход D второго триггера, с входом С второго триггера, являющимся третьим входом блока управления, соединены входы С третьего и восьмого триггеров, а также вход пятого инвертора, вход С четвертого триггера является четвертым входом блока управления, к входам логического устройства И подключены выход четвертого триггера и инверсные выходы второго и третьего триггеров, к входам С пятого, шестого и седьмого триггеров подключен выход пятого инвертора, прямой выход второго триггера подсоединен к первому входу третьего логического устройства 2И-НЕ и к входу D пятого триггера, инверсный выход которого подключен к второму входу третьего логического устройства 2И-НЕ, прямой выход третьего триггера подсоединен к первому входу четвертого логического устройства 2И-НЕ и к входу D седьмого триггера, инверсный выход которого подключен ко второму входу четвертого логического устройства 2И-НЕ, выход логического устройства И подключен к входу D шестого триггера, выход которого соединен с входом D восьмого триггера и с первым входом пятого логического устройства 2И-НЕ, инверсный выход восьмого триггера подключен к второму входу пятого логического устройства 2И-НЕ, выход которого соединен с входом R четвертого триггера и с входом шестого инвертора, выход шестого инвертора подключен к входу седьмого инвертора, выход которого соединен с входом восьмого инвертора, выход восьмого инвертора соединен с входом девятого инвертора, выход которого подключен к входу десятого инвертора, выход третьего логического устройства 2И-НЕ, являющийся вторым выходом блока управления, предназначен для подключения к суммирующему входу реверсивного счетчика, выход четвертого логического устройства 2И-НЕ, являющийся третьим выходом блока управления, предназначен для подключения к вычитающему входу реверсивного счетчика, выход шестого инвертора, являющийся четвертым выходом блока управления, предназначен для подключения к входу разрешения записи регистра, выход десятого инвертора, являющийся первым выходом блока управления, предназначен для подключения к входу обнуления реверсивного счетчика.

Введение в аналого-цифровой преобразователь первого и второго инверторов, первого и второго логических устройств 2И-НЕ, регистра, процессора, применение в качестве счетчика реверсивного счетчика, выполнение в генераторе второго выхода второй тактовой частоты и третьего выхода третьей тактовой частоты, выполнение блока управления в составе семи D-триггеров, восьми инверторов, трех логических устройств 2И-НЕ, логического устройства И, подключение выхода первого логического устройства 2И-НЕ к первому входу блока управления, подключение выхода второго логического устройства 2И-НЕ к второму входу блока управления, подключение к третьему входу блока управления первого выхода генератора, подключение второго выхода генератора к тактовому входу первого триггера, подключение второго выхода блока управления к суммирующему входу реверсивного счетчика, подключение третьего выхода блока управления к вычитающему входу реверсивного счетчика, соединение четвертого выхода блока управления с входом разрешения записи регистра, соединение выхода реверсивного счетчика с входом данных регистра, соединение выхода регистра с входом процессора, подключение выхода процессора к входу разрешения чтения регистра приводит к повышению точности преобразования аналогового сигнала в цифровой код вследствие достигаемой синхронизации процесса преобразования, устраняющей потерю информации.

Выполнение четвертого выхода генератора с напряжением пилообразной формы, его подключение к второму входу порогового устройства обеспечивает повышение точности преобразования аналогового сигнала в цифровой код, так как повышается точность сравнения преобразуемого и опорного напряжений.

На фиг.1 представлена общая схема аналого-цифрового преобразователя; на фиг.2 - принципиальная электрическая схема блока управления; на фиг.3, 4 - циклограммы сигналов аналого-цифрового преобразователя.

Аналого-цифровой преобразователь (фиг.1) содержит интегратор с конденсатором С1 на усилителе постоянного тока (УПТ) 1, к инверсному входу которого через резистор R1 подсоединен вход "а" аналого-цифрового преобразователя. Выход "б" положительного потенциала и выход "в" отрицательного потенциала источника образцового напряжения 2 подключены к входам коммутатора 3, выход которого через резистор R2 подключен к инверсному входу УПТ 1. В генераторе 4 образованы первый выход "г" первой тактовой частоты f₁, второй выход "д" второй тактовой частоты f₂, по крайней мере, в два раза меньшей первой тактовой частоты f₁, третий выход "е" третьей тактовой частоты f₃, по крайней мере, на два порядка меньшей первой тактовой частоты f₁, четвертый выход "ж" с напряжением пилообразной формы, частота f₄ которого больше третьей тактовой частоты f₃, но меньше второй тактовой частоты f₂, по крайней мере, на порядок.

Выход УПТ 1 подключен к первому входу порогового устройства 5, к второму входу которого подключен четвертый выход "ж" генератора 4. Выход порогового устройства 5 соединен с тактовым входом D первого триггера 6', к входу С которого, а также к входу первого инвертора 7' подключен второй выход "д" генератора 4. Первый триггер 6' выполнен как D-триггер. Выход первого инвертора 7' подключен к первым входам первого 8' и второго 8'' логических устройств 2И-НЕ. К инверсному выходу первого триггера 6' подключены управляющий вход коммутатора 3, второй вход второго логического устройства 2И-НЕ 8'' и вход второго инвертора 7'', к выходу которого подключен второй вход второго логического устройства 2И-НЕ 8''.

Выход первого логического устройства 2И-НЕ 8' подключен к первому входу "к" блока управления 9, к второму входу "л" которого подключен выход второго логического устройства 2И-НЕ 8''. К третьему входу блока управления 9 подключен первый выход "г" генератора 4, третий выход "е" которого подключен к четвертому входу блока управления 9. Первый выход "м" блока управления 9 соединен с входом R обнуления реверсивного счетчика 10. Второй выход "н" блока управления 9 подключен к суммирующему входу реверсивного счетчика 10, к вычитающему входу которого подключен третий выход "п" блока управления 9. Четвертый выход "р" блока управления 9 соединен с входом разрешения записи регистра 11, вход данных которого соединен, например, шестнадцатипроводной линией с выходом реверсивного счетчика 10.

Выход регистра 11 соединен, например, шестнадцатипроводной линией с входом процессора 12, выход которого подключен к входу разрешения чтения регистра 11.

Блок управления 9 (фиг.2) выполнен на третьем 7''', четвертом 7^IV, пятом 7^V, шестом 7^VI, седьмом 7^VII, восьмом 7^VIII, девятом 7^IX и десятом 7^X инверторах, втором 6'', третьем 6''', четвертом 6^IV, пятом 6^V, шестом 6^VI, седьмом 6^VII и восьмом 6^VIII D-триггерах, третьем 8''', четвертом 8^IV и пятом 8^V логических устройствах 2И-НЕ, логическом устройстве И 13.

Вход "к" третьего инвертора 7''' является первым входом блока управления 9 и предназначен для подключения к выходу первого логического устройства 2И-НЕ 8'. К выходу третьего инвертора 7''' подсоединен вход D второго триггера 6''. С входом С второго триггера 6, являющимся третьим входом блока управления 9 и предназначенным для подключения к первому выходу "г" генератора 4, соединены входы С третьего 6''' и восьмого 6^VIII триггеров, а также вход пятого инвертора 7^V. Вход четвертого инвертора 7^IV, являющийся вторым входом "л" блока управления 9, предназначен для подключения к выходу второго логического устройства 2И-НЕ 8''. Вход С четвертого триггера 6^IV, являющийся четвертым входом блока управления 9, предназначен для подключения к третьему выходу "е" генератора 4. К входам логического устройства И 13 подключены выход четвертого триггера 6^IV и инверсные выходы второго 6'' и третьего 6''' триггеров. К входам С пятого 6^V, шестого 6^VI и седьмого 6^VII триггеров подключен выход пятого инвертора 7^V. Прямой выход второго триггера 6'' подсоединен к первому входу третьего логического устройства 2И-НЕ 8''' и к входу D пятого триггера 6^V, инверсный выход которого подключен к второму входу третьего логического устройства 2И-НЕ 8'''. Прямой выход третьего триггера 6''' подсоединен к первому входу четвертого логического устройства 2И-НЕ 8^IV и к входу D седьмого триггера 6^VII, инверсный выход которого подключен к второму входу четвертого логического устройства 2И-НЕ 8^IV. Выход логического устройства И 13 подключен к входу D шестого триггера 6^VI, выход которого соединен с входом D восьмого триггера 6^VIII и с первым входом пятого логического устройства 2И-НЕ 8^V. Инверсный выход восьмого триггера 6^VIII подключен к второму входу пятого логического устройства 2И-НЕ 8^V выход которого соединен с входом R четвертого триггера 6^IV и с входом шестого инвертора 7^VI. Выход шестого инвертора 7^VI подключен к входу седьмого инвертора 7^VII, выход которого соединен со входом восьмого инвертора 7^VIII, выход восьмого инвертора 7^VIII соединен с входом девятого инвертора 7^IX, выход которого подключен к входу десятого инвертора 7^X.

Выход третьего логического устройства 2И-НЕ 8''' является вторым выходом "н" блока управления 9 и предназначен для подключения к суммирующему входу реверсивного счетчика 10. Выход четвертого логического устройства 2И-НЕ 8^IV является третьим выходом "п" блока управления 9 и предназначен для подключения к вычитающему входу реверсивного счетчика 10. Выход шестого инвертора 7^VI является четвертым выходом "р" блока управления 9 и предназначен для записи регистра 11. Выход десятого инвертора 7^X является первым выходом "м" блока управления 9 и предназначен для подключения к входу обнуления реверсивного счетчика 10.

На инверсный вход УПТ 1 поступают протекающий с входа "а" через резистор R1 входной аналоговый ток и протекающий через резистор R2 ток обратной связи с выхода коммутатора 3. При этом напряжения на выходе УПТ 1 (фиг.3, а) плавно изменяется.

При превышении в момент времени t₁ напряжения с выхода УПТ 1 значения пилообразного напряжения частотой f₄ (фиг.3, б), подаваемого на вход порогового устройства 5 с выхода "ж" генератора 4, сигнал на выходе порогового устройства 5 изменится на противоположный. При этом напряжение на выходе коммутатора 3 изменяется на противоположное. Если, например, к входу коммутатора 3 было подключено напряжение с выхода "в" источника образцового напряжения 2, то станет подключенным напряжение с его выхода "б".

Теперь на вход УПТ 1 подается ток обратной связи противоположной полярности (амплитуда которого больше входного тока), напряжение на выходе УПТ 1 начнет плавно изменяться в другую сторону, оставаясь большим, чем напряжение на входе "ж" порогового устройства 5. Когда в момент времени t₂ напряжение на выходе УПТ 1 станет меньшим напряжения на входе "ж" порогового устройства 5, сигнал на выходе порогового устройства 5 изменится на противоположный. При этом на выход коммутатора 3 подключится напряжение с выхода "в", и в интервале времени от t₂ до t₃ будет повторяться описанный выше процесс.

При наличии на входе "а" аналого-цифрового преобразователя постоянного напряжения интервал времени от момента времени t₁ до момента времени t₂ не будет равным интервалу времени от момента времени t₂ до момента времени t₃. При неизменном значении постоянного напряжения на входе "а" процесс переключения порогового устройства 5 будет проходить с периодом, равным интервалу времени от момента времени t₁ до момента времени t₂. При этом на первый вход "к" блока управления 9 с первого логического устройства 2И-НЕ 8' в интервале от момента времени t₁ до момента времени t₂ (фиг.3, г) пройдет N₁ импульсов частотой f₂ (фиг.3, в), поступающей на вход С первого триггера 6' с второго выхода "д" генератора 4. А на второй вход "л" блока управления 9 с выхода второго логического устройства 2И-НЕ 8'' в интервале от момента времени t₂ до момента времени t₃ пройдет N₂ импульсов частотой f₂ (фиг.3, д). Поступающими на вход пятого инвертора 7^V и входы С второго 6'' и третьего 6''' триггеров блока управления 9 импульсами частотой f₁ с первого выхода "г" генератора 4 (фиг.4, а) тактируются приходящие на первый вход "к" блока управления 9 импульсы частотой f₂ (фиг.4, б) так, что с второго выхода "н" блока управления 9 на суммирующий вход реверсивного счетчика 10 поступает N₁ импульсов частотой f₂ и длительностью 1/f₁ (фиг.4, д). Поступающие на второй вход "л" импульсы частотой f₂ (фиг.4, в) тактируются так, что с третьего выхода "п" на вычитающий вход реверсивного счетчика 10 поступает N₂ импульсов частотой f₂ и длительностью 1/f₁ (фиг.4, е). На первый вход логического устройства И 13 с инверсного выхода второго триггера 6" подаются тактированные частотой f₁ импульсы частотой f₂ с длительностью 2/f₁ (фиг.4, ж), на второй вход логического устройства И 13 с инверсного выхода третьего триггера 6''' подаются тактированные частотой f₁ импульсы частотой f₂ с длительностью 2/f₁ (фиг.4, л). Импульсы частотой f₃ на входе С четвертого триггера 6^IV (фиг.4, г) с третьего выхода "е" генератора 4 на выходе четвертого триггера 6^IV преобразуются в импульсы частотой f₃ и длительностью 2/f₁ (фиг.4, к), которые поступают на третий вход логического устройства И 13. В результате на выходе шестого триггера 6^VI образуются импульсы частотой f₃ и длительностью 2/f₁ (фиг.4, м), а на выходе пятого логического устройства 2И-НЕ 8 и на входе R четвертого триггера 6^IV образуются импульсы частотой f₃ и длительностью 1/f₁ (фиг.4, н).

В течение времени, которое определяется интервалами между импульсами частотой f₃ с выхода шестого инвертора 7^VI (фиг.4, п), реверсивный счетчик 10 считает поступающие на его входы с выходов "н", "п" блока управления 9 импульсы частотой f₂, и в момент прихода очередного импульса с выхода шестого инвертора 7^VI (четвертый выход "р" блока управления 9) содержимое реверсивного счетчика 10 (разность между количеством импульсов N₁ и количеством импульсов N₂) переписывается в регистр 11. Разность между количеством импульсов N₁ и N₂ является кодом аналогового сигнала, приходящего на вход "а" аналого-цифрового преобразователя. По приходу на вход обнуления реверсивного счетчика 10 импульса с первого выхода "м" блока управления 9 (фиг.4, р), передний фронт которого отстает от переднего фронта импульса с выхода "р" вследствие запаздывания распространения сигнала между шестым 7^VI и десятым 7^X инверторами, реверсивный счетчик 10 обнуляется. По получении сигнала с выхода процессора 12 на вход чтения регистра 11 регистр 11 транслирует код аналогового сигнала в процессор 12.

Сравнение на входах порогового устройства 5 двух пилообразных напряжений повышает точность срабатывания порогового устройства 5, в результате чего повышается точность широтно-импульсного преобразования.

Тактирование импульсами более высокой частоты f₁ счетных импульсов частотой f₂ и времени счета, определяемого частотой f₃, позволяет уменьшить количество выпадающих из счета счетных импульсов частотой f₂ при преобразовании аналогового сигнала в цифровой код.

Источники информации

1. Авторское свидетельство СССР №476680 кл. Н 03 М 1/62. Преобразователь напряжения в код, 1976 г.

2. Авторское свидетельство СССР №312279 кл. Н 03 М 1/00. Аналого-цифровой преобразователь, 1972 г.

Аналого-цифровой преобразователь, содержащий интегратор на усилителе постоянного тока, пороговое устройство, коммутатор, источник образцового напряжения с выходами положительного и отрицательного потенциалов, генератор с первым выходом первой тактовой частоты, блок управления, первый триггер, счетчик, вход аналого-цифрового преобразователя и выход коммутатора подключены к входу усилителя постоянного тока, выход которого подключен к первому входу порогового устройства, выход порогового устройства соединен с первым входом триггера, инверсный выход которого подключен к управляющему входу коммутатора, выходы положительного и отрицательного потенциалов источника образцового напряжения подключены к входам коммутатора, первый выход блока управления подключен к входу управления счетчика, отличающийся тем, что введены первый и второй инверторы, первое и второе логические устройства 2И-НЕ, регистр, процессор, в качестве счетчика применен реверсивный счетчик, генератор дополнительно имеет второй выход второй тактовой частоты, по крайней мере, в два раза меньшей первой тактовой частоты, третий выход третьей тактовой частоты, по крайней мере, на два порядка меньшей первой тактовой частоты, четвертый выход с напряжением пилообразной формы, частота которого больше третьей тактовой частоты, но меньше второй тактовой частоты, по крайней мере, на порядок, к второму выходу порогового устройства подключен четвертый выход генератора, второй выход генератора подключен к тактовому входу первого триггера и к входу первого инвертора, выход которого подключен к первым входам первого и второго логических устройств 2И-НЕ, к инверсному выходу первого триггера подключены второй вход второго логического устройства 2И-НЕ и вход второго инвертора, к выходу которого подключен второй вход первого логического устройства 2И-НЕ, выход первого логического устройства 2И-НЕ подключен к первому входу блока управления, к второму входу которого подключен выход второго логического устройства 2И-НЕ, к третьему входу блока управления подключен первый выход генератора, третий выход которого подключен к четвертому входу блока управления, второй выход блока управления подключен к суммирующему входу реверсивного счетчика, к вычитающему входу которого подключен третий выход блока управления, четвертый выход блока управления подключен к входу разрешения записи регистра, выход реверсивного счетчика соединен многопроводной линией с входом данных регистра, выход которого соединен многопроводной линией с входом процессора, выход процессора подключен к входу разрешения чтения регистра, блок управления выполнен на третьем, четвертом, пятом, шестом, седьмом, восьмом, девятом и десятом инверторах, втором, третьем, четвертом, пятом, шестом, седьмом, восьмом триггерах, третьем, четвертом, пятом логических устройствах 2И-НЕ, логическом устройстве И, триггеры с первого по восьмой по счету выполнены как D-триггеры, вход третьего инвертора является первым входом блока управления, вход четвертого инвертора является вторым входом блока управления, к выходу третьего инвертора подсоединен вход D второго триггера, с входом С второго триггера, являющимся третьим входом блока управления, соединены входы С третьего и восьмого триггеров, а также вход пятого инвертора, вход С четвертого триггера является четвертым входом управления, к входам логического устройства И подключены выход четвертого триггера и инверсные выходы второго и третьего триггеров, к входам С пятого, шестого и седьмого триггеров подключен выход пятого инвертора, прямой выход второго триггера подсоединен к первому входу третьего логического устройства 2И-НЕ и к входу D пятого триггера, инверсный выход которого подключен к второму входу третьего логического устройства 2И-НЕ, прямой выход третьего триггера подсоединен к первому входу четвертого логического устройства 2И-НЕ и к входу D седьмого триггера, инверсный выход которого подключен ко второму входу четвертого логического устройства 2И-НЕ, выход логического устройства И подключен к входу D шестого триггера, выход которого соединен с входом D восьмого триггера и с первым входом пятого логического устройства 2И-НЕ, инверсный выход восьмого триггера подключен ко второму входу пятого логического устройства 2И-НЕ, выход которого соединен с входом R четвертого триггера и с входом шестого инвертора, выход шестого инвертора подключен к входу седьмого инвертора, выход которого соединен с входом восьмого инвертора, выход восьмого инвертора соединен с входом девятого инвертора, выход которого подключен к входу десятого инвертора, выход третьего логического устройства 2И-НЕ, являющийся вторым выходом блока управления, предназначен для подключения к суммирующему входу реверсивного счетчика, выход четвертого логического устройства, являющийся третьим выходом блока управления, предназначен для подключения к вычитающему входу реверсивного счетчика, выход шестого инвертора, являющийся четвертым выходом блока управления, предназначен для подключения к входу разрешения записи регистра, выход десятого инвертора, являющийся первым выходом блока управления, предназначен для подключения к входу обнуления реверсивного счетчика.