Интегрирующий аналого-цифровой преобразователь

Изобретение относится к области вычислительной техники и может использоваться в системах управления технологическими процессами, в частности в автоматизированном электроприводе. Техническим результатом является повышение быстродействия устройства. Устройство содержит генератор счетных импульсов, двоичные суммирующие счетчики, дешифратор, логический элемент «n ИЛИ», генератор пилообразного напряжения, сумматор, интегратор, релейный элемент, компараторы, инвертор, логические элементы «3И», элемент задержки, одновибратор, регистры памяти, арифметическо-логическое устройство (АЛУ), вход для подключения к источнику синхроимпульсов, входную и выходную клеммы. 7 ил.

 

Устройство относится к области вычислительной техники и может использоваться в системах управления технологическими процессами, в частности в автоматизированном электроприводе.

Известны число-импульсные аналого-цифровые преобразователи (АЦП) (Волович Г.И. Схемотехника аналоговых и аналогово-цифровых электронных устройств / Г.И. Волович. - М.: Издательский дом «Додэка-XXI», 2005. - С.459), содержащие (фиг.5а) преобразователь напряжения в частоту импульсов (ПНЧ), счетчик, регистр памяти, генератор тактовых импульсов, элемент задержки, входную и выходную клеммы.

ПНЧ преобразует аналоговый сигнал в частоту импульсов, количество которых за интервал времени, формируемый генератором, подсчитывается счетчиком. После завершения цикла преобразования данные из счетчика переносятся в регистр памяти. После этого с задержкой времени счетчик «обнуляется» и цикл преобразования повторяется. В итоге на выходе регистра памяти формируется код, пропорциональный преобразуемому сигналу на входной клемме.

К числу недостатков известного технического решения относится:

1. Разомкнутый характер структуры АЦП, что предъявляет жесткие требования к метрологическим показателям ПНЧ;

2. Зависящая от входного сигнала погрешность дискретизации, которая увеличивается по мере уменьшения амплитуды входного воздействия;

3. Нереверсивный характер характеристики «вход-выход», т.е. способность АЦП работать только с сигналом одной полярности.

Таким образом, известное техническое решение имеет относительно невысокую точность работы и ограниченную область применения.

Наиболее близким к предлагаемому техническому решению является замкнутое интегрирующее фазосдвигающее устройство с внешней синхронизацией (Цытович Л.И., Дудкин М.М. Анализ динамических характеристик интегрирующих фазосдвигающих устройств // Труды международной тринадцатой научно-технической конференции «Электроприводы переменного тока». - Екатеринбург: УПИ, 2005. - С.95-98).

В состав устройства-прототипа входят сумматор, интегратор, релейный элемент, генератор пилообразного напряжения (ГПН), входная и выходная клеммы, стробирующий вход.

Известное устройство является интегрирующей системой с двумя развертывающими функциями. Ведущей является развертка с выхода ГПН, ведомой - выходной пилообразный сигнал на выходе интегратора (фиг.6 а, г).

Сигнал с выхода ГПН (ведущая развертка) подается на второй вход релейного элемента и приводит к модуляции его порога переключения по закону ведущей развертывающей функции, которая в течение заданного интервала дискретизации Т₀ достигает амплитуды A_п=A·T₀/T_И1, где А - некоторый опорный сигнал, принимаемый равным амплитуде выходных импульсов релейного элемента; Т_И1 - постоянная времени, определяющая темп нарастания ведущей развертки; Т_И2 - постоянная времени интегратора; причем Т_И1<T_И2.

При включении устройства и отсутствии входного сигнала Х_ВХ система переходит в режим вынужденных колебаний с частотой сигнала ГПН. Интервалы импульсов на выходе релейного элемента (фиг.6 б) определяются как результат последовательного взаимодействия ведущей и ведомой с выхода интегратора развертывающих функций (фиг.6 а).

В результате, по истечении определенного числа периодов выходных импульсов релейного элемента, определяемого соотношением постоянных времени Т_И1, Т_И2, их среднее значение достигает нулевого уровня (фиг.6 б), а скважность равна 0,5. При этом ведомая развертка (фиг.6 а) смещается относительно «нуля» на нормированную величину $$\Delta {\overline{Y}}_C=\Delta Y_C/A=\mathrm{0,5}{T}_0\left(1+{\overline{T}}_{И2}^{-1}\right)/{Т}_{И1}$$ , где $${\overline{Т}}_{И2}={Т}_{И2}/{Т}_{И1}$$ относительное значение постоянной времени интегратора.

При подаче на вход устройства сигнала Х_ВХ>0, например, в момент времени t₀ (фиг.6 в), совпадающий с перепадом выходного сигнала генератора пилообразного напряжения (фиг.6 г), происходит последовательное смещение ведомой развертки в направлении, противоположном знаку Х_ВХ, причем величина смещения пропорциональна Х_ВХ по причине наличия интегратора в прямом канале регулирования. Это приводит к изменению скважности выходных импульсов релейного элемента. Следует также отметить, что среднее значение импульсов Y₀ на выходе релейного элемента за интервал дискретизации Т₀ в установившемся режиме пропорционально величине Х_ВХ (фиг.6 д).

Существенным преимуществом данного интегрирующего развертывающего преобразователя является замкнутый характер его структуры и наличие интегратора в прямом канале регулирования. Это позволяет реализовать на его основе высокоточный АЦП, способный работать в широком диапазоне температуры окружающей среды.

Однако, как видно из диаграмм сигналов устройства-прототипа, процессы в нем носят апериодический характер, свойственный апериодическому звену первого порядка с передаточной функцией вида W(p)=1/(1+Т_Эр) где $$T_{Э}\approx \mathrm{0,45}\cdot {Т}_0\cdot {\overline{Т}}_{И2}$$ - эквивалентная постоянная времени, причем $${\overline{Т}}_{И2}\ge \mathrm{2,0}$$ . Подобная линеаризация устройства справедлива в области частот, не превышающей $$\mathrm{0,5}{Т}_0^{-1}$$ .

Так в целом ряде систем управления, например, тиристорными преобразователями постоянного тока, цифровой код, в который преобразуется аналоговая регулируемая величина, должен сформироваться к очередному импульсу синхронизации, следующему с периодом Т_П. Если структуру на фиг.5 б синхронизировать по входу ГПН стробирующими импульсами (фиг.7 б), то за время Т_П сформируется широтно-импульсный сигнал (фиг.7 в, пунктир), который может быть преобразован в цифровой код N_вых=K(N₁-N₂)/(N₁+N₂), где: N₁,N₂ - цифровые коды «положительного» и «отрицательного» выходных импульсов релейного элемента соответственно; К - весовой коэффициент. Однако подобный АЦП на установившийся режим работы, когда N_вых=Х_вх, выйдет за время, значительно превышающее максимально допустимое значение Т_П (фиг.7 в).

Таким образом, устройство-прототип имеет низкое быстродействие.

В основу изобретения положена техническая задача, заключающаяся в повышении быстродействия интегрирующего АЦП.

Указанная техническая задача решается тем, что интегрирующий аналого-цифровой преобразователь, содержащий стробирующий вход, генератор пилообразного напряжения, последовательно включенные источник входного сигнала, сумматор, интегратор, релейный элемент, выход которого подключен ко второму входу сумматора, а второй вход релейного элемента соединен с выходом генератора пилообразного напряжения, согласно изобретению в интегрирующий аналого-цифровой преобразователь введены последовательно включенные генератор счетных импульсов, первый двоичный суммирующий счетчик, дешифратор, логический элемент «n ИЛИ», выход которого соединен с входом установки нулевых начальных условий генератора пилообразного напряжения, С-вход первого суммирующего счетчика подключен к выходу генератора счетных импульсов, R-вход первого суммирующего счетчика и один из входов логического элемента «n ИЛИ» подключены к источнику синхроимпульсов, также содержит последовательно включенные первый компаратор, первый логический элемент «3И», второй двоичный суммирующий счетчик, первый регистр памяти, также содержит последовательно включенные второй компаратор, второй логический элемент «3И», третий двоичный суммирующий счетчик, второй регистр памяти, причем вход первого и второго компаратора подключены к выходу релейного элемента, а выход первого и второго регистров памяти соединены с входами данных арифметическо-логического устройства, выход которого подключен к выходной клемме аналого-цифрового преобразователя, содержит элемент задержки, выход которого подключен к установочным R - входам второго и третьего двоичных суммирующих счетчиков и к входу одновибратора, выход которого соединен с входом разрешения выполнения заданной операции арифметическо-логического устройства, С-входы второго и третьего двоичных суммирующих счетчиков подключены подключены к выходам первого и второго логического элемента «3И» соответственно, содержит инвертор, выход которого подключен ко второму входу первого и второго логического элемента «3И», третьи входы которых соединены с выходом генератора счетных импульсов, вход инвертора и элемента задержки, а также С-входы первого и второго регистров памяти соединены с источником синхроимпульсов, D-вход первого и второго регистра памяти подключен к выходам второго и третьего двоичного суммирующего счетчика соответственно.

Техническим результатом предлагаемого устройства являются его повышенное быстродействие за счет целочисленного умножения частоты выходного сигнала генератора пилообразного напряжения на интервале синхронизации АЦП, что достигается благодаря введению в схему АЦП третьего счетчика, дешифратора и логического элемента «n ИЛИ». При этом снижается эквивалентная постоянная времени интегрирующего развертывающего преобразователя и повышается быстродействие АЦП в целом.

Изобретение поясняется чертежами, где на:

Фиг.1 - дана функциональная схема предлагаемого устройства;

Фиг.2, 3 - приведены временные диаграммы сигналов предлагаемого устройства;

Фиг.4 - представлены экспериментальные частотные характеристики прототипа и предлагаемого устройства;

Фиг.5 - даны функциональные схемы известных АЦП;

Фиг.6, 7 - приведены временные диаграммы сигналов устройства-прототипа.

В состав устройства (фиг.1) входят генератор счетных импульсов 1, двоичные суммирующие счетчики 2, 3, 4, дешифратор 5, логический элемент «n ИЛИ» 6, генератор пилообразного напряжения 7, сумматор 8, интегратор 9, релейный элемент 10, компараторы 11, 12, инвертор 13, логические элементы «3И» 14, 15, элемент задержки 16, одновибратор 17, регистры памяти 18, 19, арифметическо-логическое устройство (АЛУ) 20, вход 21 для подключения к источнику синхроимпульсов, входная 22 и выходная 23 клеммы.

Элементы АЦП имеют следующие характеристики.

Генератор 1 формирует высокочастотные счетные импульсы стабильной частоты.

Счетчики 2, 3, 4 являются суммирующими и управляются передним фронтом импульсов на С-входе. При наличии импульса на R-входе счетчики 2, 3, 4 «обнуляются».

Дешифратор 5 преобразует двоичный код в десятичное число.

Сигнал на выходе элемента 6 типа «ИЛИ» соответствует логической «1» если хотя бы одна из входных переменных равна «1».

Генератор 7 формирует пилообразное напряжение с частотой выходных импульсов блока 6.

Сумматор 8 имеет единичный коэффициент передачи по каждому из входов.

Интеграторы 9 реализует передаточную функцию вида W(р)=1/Т_Ир, где Т_И - постоянная времени интегрирования. Его выходной сигнал нарастает линейно при скачке входного воздействия со знаком, противоположным знаку входного сигнала.

Релейный элемент 10 при отсутствии сигнала с выхода блока 7 имеет нулевое значение порогов переключения и неинвертирующую характеристику «вход - выход». При подключении ГПН 7 к второму входу релейного элемента 10 его пороги переключения изменяются по пилообразному закону с линейно нарастающим и дискретным фронтами.

Компаратор 11 передает на выход импульсы положительной полярности с выхода релейного элемента 10.

Компаратор 12 имеет инвертирующую характеристику «вход-выход» и формирует на выходе импульсы положительной полярности при отрицательном знаке импульса на выходе релейного элемента 10.

Инвертор 13 выполняет функции логического элемента «НЕ».

Логические элементы 14, 15 функции «3И» переходят в состояние «1» при условии равенства «1» всех входных переменных.

Элемент задержки 16 осуществляет задержку по времени передачи входного импульса на заранее заданную фиксированную величину.

Одновибратор 17 запускается передним фронтом входного импульса и формирует на своем выходе импульс заданной длительности и фиксированной амплитуды.

АЛУ 20 реализует операцию вида N_вых=K(N₁-N₂)/(N₁+N₂) в течение времени, которое определяется длительностью импульса на его С-входе.

Принцип работы интегрирующего аналого-цифрового преобразователя следующий.

С помощью генератора 1, счетчика 2 и дешифратора 5 формируется опорная пилообразная цифровая развертка (фиг.2 а, дискретность которой показана на фиг.2 а*), имеющая период, равный периоду синхроимпульсов на входе 21. На этой развертки задаются числа N₁, N₂, N₃ … N_k таким образом, чтобы они следовали с периодом Т₀<<Т_П через равной интервал времени. На фиг.2 а в качестве примера приведены три значения N₁, N₂, N₃. Появление соответствующего числа в счетчике 2 приводит к формированию на выходных шинах дешифратора 5 импульса «1» (фиг.2 б), которые суммируются с синхроимпульсами (фиг.2 а, б).

Таким образом, на выходе логического элемента 6 (фиг.1) формируются импульсы установки нулевых начальных условий в ГПН 7 (фиг.2 б), когда «внутри» интервала Т_П (фиг.2 а) содержится целое число периодов Т₀ (фиг.2 б) пилообразного сигнала ведущей развертки (фиг.2 в) для синхронизации развертывающего преобразователя, включающего сумматор 8, интегратор 9 и релейный элемент 10 (фиг.1).

При входном сигнале положительной полярности (фиг.2 г) на интервале времени t₁ сигнал ведомой развертки с выхода интегратора 9 изменяется под действием суммы сигналов на входе 22 и выходе релейного элемента 10, а в интервале t₂ - под действием разности этих сигналов (фиг.2 д, е). В результате t₁<t₂, и среднее значение выходных импульсов релейного элемента 10 устанавливается пропорциональным входному воздействию со знаком, противоположным знаку сигнала на входе 22.

При отрицательном знаке входного сигнала (фиг.2 ж) система работает аналогичным образом с той лишь разницей, что t₁>t₂ (фиг.2 з, и).

В результате развертывающий преобразователь 8, 9, 10 синхронизируется сигналом «пилы» с частотой $$T_0^{-1}=n\cdot T_{П}^{-1}$$ , где n=1, 2, 3 … целое число. Это обеспечивает снижение его эквивалентной постоянной времени в «n»-раз и повышает быстродействие работы контура преобразования аналогового сигнала в интервал времени.

Дальнейшая работа АЦП происходит следующим образом.

Входной сигнал, преобразованный на интервале времени Т_П в широтно-импульсный (фиг.3 а - в), подвергается «оцифровке» с помощью генератора 1 и счетчиков 3, 4. В интервале времени t₁ компаратор 11 находится в состоянии «1», что позволяет счетным импульсам с выхода генератора 1 через элемент «3И» 14 поступать на счетный С-вход счетчика 3, в котором накапливается число N₁ (фиг.3 в - д). Второй канал преобразования, состоящий из блоков 12, 15, 4 находится в статическом состоянии (фиг.3 е), так как на выходе компаратора 12 присутствует «0».

При формировании импульса отрицательной полярности на выходе релейного элемента 10 в состояние «1» переходит компаратор 12, и 1 чет импульсов производится в счетчике 4 (фиг.3 в, е).

В итоге, к приходу очередного импульса синхронизации АЦП (фиг.3 а) в счетчике 3 накапливается число N₁, пропорциональное сумме «положительных» интервалов дискретизации выходных импульсов релейного элемента 10 (фиг.3 в, д), а в счетчике 4 - число N₂, соответствующее сумме «отрицательных» импульсов с выхода релейного элемента 10 (фиг.3 в, е).

После этого под действием импульса синхронизации (фиг.3 а) осуществляется перенос данных из счетчиков 3, 4 в регистры памяти 18, 19 (фиг.3 ж, з). Одновременно с помощью инвертора 13 выдается команда запрета счета в счетчиках 3, 4 на время записи данных в регистры 18, 19.

С задержкой времени τ, формируемой блоком 16, осуществляется «обнуление» счетчиков 3, 4 (фиг.3 д, е, и), после чего процесс в АЦП повторяется.

Конечное преобразование аналогового сигнала в код производится в течение времени t_И с помощью АЛУ в соответствии с выражением N_вых=K(N₁-N₂)/(N₁+N₂) и по команде с выхода одновибратора 17 (фиг.3 к).

Рассмотренное устройство имеет следующие основные преимущества перед известными:

1. АЦП является реверсивным, т.е. может работать с сигналами различной полярности без изменения своей схемной конфигурации;

2. АЦП представляет собой замкнутую систему регулирования с интегратором в прямом канале регулирования, что предопределяет его высокие метрологические характеристики;

3. АЦП имеет повышенное быстродействие за счет увеличения частоты сигнала пилообразной синхронизации развертывающего преобразователя 8, 9, 10 с помощью блоков 2, 5, 6. В результате в «n»-раз уменьшается эквивалентная постоянная времени канала 8, 9, 10, что повышает быстродействие работы устройства в целом.

На фиг.4 приведены экспериментальные частотные характеристики канала 8, 9, 10 при периоде сигнала его пилообразной синхронизации, равной Т_П=3,3 мс и Т_П=4Т₀=3,3 мс.

В первом случае период пилообразного напряжения ведущей развертки равен периоду синхроимпульсов (фиг.2 а), во втором - преобразование за время Т_П=3,3 мс представляет собой результат цифровой обработки четырех периодов выходных импульсов релейного элемента 10 (фиг.3).

Из приведенных ЛАЧХ видно, что предлагаемое техническое решение позволяет существенно расширить полосу пропускания АЦП по сравнению с устройством-прототипом.

Рассмотренный АЦП предполагается использовать в цифровой системе импульсно-фазового управления реверсивным тиристорным преобразователем.

Интегрирующий аналого-цифровой преобразователь, содержащий стробирующий вход, генератор пилообразного напряжения, последовательно включенные источник входного сигнала, сумматор, интегратор, релейный элемент, выход которого подключен ко второму входу сумматора, а второй вход релейного элемента соединен с выходом генератора пилообразного напряжения, отличающийся тем, что в него введены последовательно включенные генератор счетных импульсов, первый двоичный суммирующий счетчик, дешифратор, логический элемент «n ИЛИ», выход которого соединен с входом установки нулевых начальных условий генератора пилообразного напряжения, C-вход первого суммирующего счетчика подключен к выходу генератора счетных импульсов, R-вход первого суммирующего счетчика и один из входов логического элемента «n ИЛИ» подключены к источнику синхроимпульсов, также содержит последовательно включенные первый компаратор, первый логический элемент «3И», второй двоичный суммирующий счетчик, первый регистр памяти, также содержит последовательно включенные второй компаратор, второй логический элемент «3И», третий двоичный суммирующий счетчик, второй регистр памяти, причем вход первого и второго компаратора подключены к выходу релейного элемента, а выход первого и второго регистров памяти соединены с входами данных арифметическо-логического устройства, выход которого подключен к выходной клемме аналого-цифрового преобразователя, содержит элемент задержки, выход которого подключен к установочным R-входам второго и третьего двоичных суммирующих счетчиков и к входу одновибратора, выход которого соединен с входом разрешения выполнения заданной операции арифметическо-логического устройства, С-входы второго и третьего двоичных суммирующих счетчиков подключены к выходам первого и второго логического элемента «3И» соответственно, содержит инвертор, выход которого подключен ко второму входу первого и второго логического элемента «3И», третьи входы которых соединены с выходом генератора счетных импульсов, вход инвертора и элемента задержки, а также С-входы первого и второго регистров памяти соединены с источником синхроимпульсов, D-вход первого и второго регистра памяти подключен к выходам второго и третьего двоичного суммирующего счетчика соответственно.