Преобразователь напряжения в цифровой код

 

ОПИСАНИЕ

ИЗОБРЕТЕН ИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (и) 433634

Союз Советских

Социалистических

Республик (61) Зависимое от авт. свидетельства (22) Заявлено 05.01.72 (21) 1734715/26-9 (51) М, Кл. Н 03k 13/17 с присоединением заявки ¹ 1747797/26-9 (32) Приоритет

Государственный комитет

Савета Министров СССР па делам иэооретений и открытий (53) УДК 681.325(088.8) Опубликовано 25.06.74. Бюллетень № 23

l

Дата опубликования описания 22.11.74 (72) Авторы изобретения И. П. Белякова, Г. Г. Живилов, В. В. Островерхов и 3. П, Тихонов (71) Заявитель (54) ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ НАПРЯЖЕНИЯ В ЦИФРОВОЯ КОД

Изобретение относится к цифровой электроизмерительной технике и может быть использовано в преобразователях напряжения в цифровой код.

Известен аналого-цифровой преобразователь с автоматическим квантованием измеряемого напряжения Ux во времени с одновременным квантованием по амплитуде таким образом, чтобы погрешность восстановления ее не превышала заданной величины с определенной вероятностью.

Особенность этого преобразователя состоит в том, что к устройству управления преобразователя аналог-код, построенного по принципу поразрядного уравновешивания измеряемого напряжения U рядом образцовых напряжений 1/„подключают счетчик, реверсивный счетчик и логическое устройство, служащее для подсоединения к выходу цифро-аналогового преобразователя или ко входу сравнивающего устройства дополнительных образцовых напряжений обоих знаков +ЛУ0.

В результате измерения напряжения U„ определения приращения его за время Т (интервал квантования) и сравнения этого приращения с абсолютным значением ЛУ, в устройстве используется автокорреляционная функция измеряемого напряжения U для определения интервала квантования Т.

Интервал квантования Т после каждого сравнения приращения сигнала U с абсолютным значением ЛУ0! изменяется только на постоянную величину, равную единице дис5 кретности ЬТ интервала Т, независимо от скорости изменения входного сигнала, из-за чего увеличивается время адаптации (переходный процесс) и растет погрешность измерения.

В предельном случае минимальный интервал

10 квантования определяется временем измерения методом поразрядного уравновешивания и тем самым ограничивается верхняя граничная частота спектра входного сигнала.

Целью изобретения является ускорение пе15 реходного процесса, увеличение точности измерения при поиске рационального временного интервала квантования для сигналов, представляющих случайные нестационарные процессы, и уменьшение динамической погрешно20 сти устройства.

Для этого в преобразователь введены операционньш усилитель, суммирующее устройство, устройство мажоритарной выборки, устройство перевода кода и компараторы по25 грешностей восстановления входного сигнала, первые входы которых подключены ко входу всего устройства, вторые входы — к выходам суммирующего устройства, а выходы — ко входам устройства мажоритарной выборки, 30 выходы последнего через устройство перевода

433634

65 кода соединены со входами сумматора интервала квантования, одни входы суммирующего устройства через операционный усилитель подключены к выходу цифро-аналогового преобразователя, а другие входы — к выходу источника дополнительных образцовых напряжений, регистр цифро-аналогового преобразователя выполнен в виде сумматора, входы части разрядов которого подключены к соответствующим выходам устройства перевода кода, а выход компаратора максимального уровня погрешности восстановления входного сигнала соединен с одним из входов устройства управления.

Таким образом, благодаря вновь введенным узлам и связям в устройстве осуществляется адаптивное временное квантование сигналов, представляющих собой нестационарные эргодические процессы, за счет изменения единицы дискретности AT в зависимости от локального изменения спектра (или корреляционной функции) входного сигнала при сохранении заданной погрешности восстановления приращения ЛУО и, кроме того, расширяется спектр измеряемых сигналов за счет уменьшения времени преобразования его мгновенных значений.

На чертеже приведена функциональная блок-схема преобразователя.

Преобразователь напряжения в цифровой код содержит сравнивающее устройство 1, цифро-аналоговый преобразователь 2, сумматор-регистр памяти 3, работающий как регистр памяти, устройство управления 4, сумматор 5 интервала квантования, счетчик 6, логическое устройство 7, источник дополнительных образцовых напряжений 8, операционный усилитель 9, суммирующее устройство

10, компараторы 11, устройство мажоритарной выборки 12, устройство перевода кода 13.

Преобразователь работает следующим образом.

Под действием сигнала «пуск» преобразователь измеряет входной сигнал Ux методом поразрядного уравновешивания в момент времени t. В измерении участвуют сравнивающее устройство 1, цифро-аналоговый преобразователь 2, сумматор-регистр памяти 3, работающий как регистр памяти, устройство управления 4. На триггерах сумматора-регистра памяти 3 в коде запоминается значение измеряемого сигнала в момент времени t, т. е. V,(t) =

=Uo(t), где Up — напряжение на выходе цифро-аналогового преобразователя 2.

После окончания измерения входного сигнала U с окончанием последнего такта в цикле измерения U, от устройства управления

4 на сумматор 5 интервала квантования поступает сигнал перезаписи его кода в счетчик 6.

На счетчик 6 от устройства управления 4 поступают тактовые импульсы, и он формирует интервал квантования Т. Импульс окончания интервала Т в момент времени t+T подается от счетчика 6 в устройство управления 4. От

60 этого сигнала при помощи сравнивающего устройства 1, цифро-аналогового преобразователя 2, устройства управления 4 и логического устройства 7 определяется знак приращения входного сигнала U,.

Для этого сравниваются напряжения

U, (t) = U, (t) с U„(t + Т) и в зависимости от результата сравнения преобразователь работает следующим образом. а) в случае, если

U, (/) = U, (t) (U, (8 + Т), то сигналом от сравнивающего устройства 1 в устройстве управления 4, логическом устройстве 7 и в источнике дополнительных образцовых напряжений 8 производятся соответствующие переключения, в результате которых на следующем такте, т. е. в момент времени

t+ Т+М (At — время длительности одного такта преобразователя) к напряжению Up прибавляются напряжения погрешностей AU>, 2 ", пНапряжение Up образуется на выходе операционного усилителя 9. Величина напряжения AU> задается оператором. Значения напряжений погрешностей AU< (l=2, 3, ..., n) определяются через погрешности ЛУ, согласноо р а венству Л U< — — lA U<.

К выходному напряжению Up цифра-аналогового преобразователя 2 прибавляется напряжение источника дополнительных образцовых напряжений 8, равное заданной погрешности восстановления ЛУо.

Напряжение AUp задается, например, равным 2AU>, причем масштаб его может изменяться. При таком задании погрешности восстановления входного сигнала всегда погрешность дискретности измерения сигнала U„будет меньше погрешности восстановления. Напряжение U p и напряжения погрешностей

AUn AU, ..., М3„прикладываются к суммирующему устройству 10, которое может быть выполнено, например, на резисторах.

На выходах суммирующего устройства 10 образуются суммы напряжений U p+AU, У о+АУ, ..., U О+М1п, которые подаются на входы компараторов 11 погрешностей восстановления входного сигнала, количество которых равно числу сумм напряжений U p+AU;, где =1,2,3, ..., n.

Напряжение Up+A Uo определяет условие роста интервала квантования Т в случае, когда приращение текущего значения измеряемого сигнала U не превышает суммы напряжений (Up+AUp).

Это определяется сравнивающим устройством 1. На этом же такте, на котором «опрашиваются», компараторы 11 ошибок восстановления входного сигнала, происходит сравнение текущего значения входного сигнала U (t+T+T+At) со значением сумм напряжений

Uo+ AU,; Uo + AU3, Uo + AUG.

433634

Количество выходов суммирующего устройства 10 зависит от диапазона задаваемых погрешностей восстановления входного сигнала.

В пределе сумма дискретных значений погрешностей может выбираться равной пределу измерения входного сигнала. В результате после срабатывания только тех компараторов

11 погрешностей восстановления входного сигнала, на входах которых оказалось, что (и„(t+ T + At) I) (00+Ли„I в устройство мажоритарной выборки 12 подаются кодовые сигналы, которые им фиксируются, а интервал квантования Т при этом остается неизменным. Подобные сравнения осуществляются гп раз, каждое из которых следует через время Al. Результаты т-кратного сравнения текущего значения измеряемого сигнала U, с погрешностями восстановления фиксируются устройством маяоритарной выборки 12.

m определяется из оптимального соотношения между требуемыми значениями помехоустойчивости и быстродействием устройства.

После прохождения m тактов, т. е. по истечении времени mAt, от устройства управления 4 подается сигнал на устройство перевода кода 13, по которому код усредненного значения от сработавших компараторов 11 погрешностей восстановления входного сигнала переводится в код с основанием, принятым в сумматорах 5 и 3, и полученный переведенный код складывается с кодом сумматора 5 интервала квантования и сумматора 3, совмещенного с регистром памяти, цифро-аналогового преобразователя 2.

Таким образом, приращение текущего значения входного сигнала U„, и в результате этого на цифро-аналоговом преобразователе 2 фиксипуется следующее измеренное значение Up. При этом сокращается общее время преобразования.

Кроме того, прибавление кода в сумматоре

5 интервала квантования уменьшает интервал квантования Т на время КЛТ, которое соответствует изменению входного сигнала за предыдущий интервал квантования T и за время мажоритарной выборки mAt (К вЂ” коэффициент, численно равный коду погрешности восстановления, определяемый в устройстве мажоритарной выборки за указанный интервал времени T+mA а ЛТ вЂ” минимально возможный интервал квантования).

Однако после сигнала «пуск» в сумматоре

5 интервала квантования было записано максимальное число, соответствующее минимальному времени квантования Т„„-„. Поэтому после первого измерения всегда выполняется условие

UÄ(t+ т+ At)(U, + ЛЦ, т. е. ни один из компараторов 11 и сравнивающее устройство 1 не срабатывают, и с логического устройства 7 на сумматор 5 интервала квантования будет подан сигнал на уменьшение кода на единицу, соответствующий увеличению интервала квантования Т íà AT.

Далее устройство управления 4 начинает определение следующего интервала квантования Т, исключая преобразование сигнала U методом поразрядного уравновешивания.

В случае, если на одном из последующих измерений изменения текущего значения входного сигнала U,- за время интервала квантования. состоящего из отрезков времени Т+

+4Л(+тМ (где 4At — время. затрачиваемого на следующие операции: на определение знака приращения текущего значения входного сигнала U» на сравнение текущего значения сигнала с заданной погрешностью AUp, на определение приращения в коде и на суммирование его с кодом напряжения Upl, окажется, что текущее значение сигнала U„- превышает уровень напряжения U +AU„, то с выхода компаратора К группы компараторов 11 на устройство управления 4 подается сигнал, по которому производится поразрядное преобразование сигнала U.

Далее преобразователь снова оценивает только приращения входного сигнала, по которым образуются новые значения напряжения Up и его кода, соответствующие результатам преобразования напряжения U, поразрядным уравновешиванием.

Интервал квантования Т может возрастать даже в промежутках между временем начала и конца ваботы устройства мажоритарной выборки 12, т. е. на одном из тактов mAt.

B случае, если

U„(t) =U,(t))U (t+ Т), логика работы устройства сохраняется, а некоторые особенности его работы заключаются в следующим.

В момент времени t+T+At из напряжения

Un на выходе операционного vcHJIHTpëÿ 9 вычитаются напряжения AU>, AU>, AU, и напряжение ЛУ; вычитается из напряжения Up— выходного напряжения цифро-аналогового преобпазователя 2. На выходе с ммиоующего устройства 10 образуются следующие суммы напряжений:

Uo — AU,; Uo — AU,; Uo — AU„

При (U„(t+ T+ At) i)(Uo — AU) ни один из компараторов 11 и сравниваюшее устройство 1 не срабатывают и сигналом от логического устройства 7, в формировании которого участвует устройство управления 4, интервал квантования Т при помощи сумматора 5 интервала квантования увеличивается на минимально возможную величинч ЛТ, а код напряжения Up на сумматоре 3 остается без изменения.

Далее начинается определение интервала квантования Т с последующими операциями определения знака и величины приращения сигнала U, Процесс увеличения интервала квантования T на величину AT продолжается

433634 до тех пор, пока не сработает сравнивающее устройство 1. В этом случае интервал квантования будет уменьшаться скачком на величину КЬТ.

При этом будет проверяться условие и„У+ т--1- Ы) i)(U, — Ли,) в течение т тактов сравнения. Значение кода компараторов в этом случае, как и ранее с устройства мажоритарной выборки 12, подается через устройство перевода кода 13 в сумматор 5 интервала квантования, где суммируется с ранее хранимым в нем кодом. С учетом знака код с устройства перевода кода 13 одновременно подается в сумматор 3 цифроаналогового преобразователя 2 для формирования нового значения напряжения Uo и его кода.

Выходной код измеряемого сигнала U на каждом цикле измерения считывается с параллельного выхода сумматора-регистра памяти 3, выходной код интервала квантования считывается с параллельного выхода сумматора 5 интервала квантования. Начало первого измерения в преобразователе определяется временем прихода сигнала «пуск», а начала всех последующих измерений происходят после изменения кода сумматора 5 интервала квантования.

Итак, при первом измерении преобразователь измеряет входной сигнал методом поразрядного уравновешивания и затем определяет и корректирует интервал квантования. В случае, если текущее значение входного сигнала не превышает ббльшего значения заданного уровня на компараторах погрешностей восстановления 11, то время измерения сигналов поразрядным уравновешиванием исключается, а результат нового измерения сигнала U; образуется путем суммирования величины изменения сигнала с предыдущим измеренны м значением, что позволяет допустить ббльшую скорость изменения сигнала U,. При этом происходит установление и непрерывное поддержание оптимального интервала квантова10

20 к входу всего устройства, вторые входы — и

25 выходам суммирующего устройства, а выхо30

45 ния входного случайного песта ционарного сигнала.

Предмет изобретения

1. Преобразователь напряжения в цифровой код, содержаший сравнивающее устройство, соединенное с выходом цифро-аналогового преобразователя, устройство управления, к выходу которого подключен сумматор интервала квантования и счетчик и через логическое устройство источник дополнительных ооразцовых напряжений, отличающийся тем, что, с целью ускорения переходного процесса и увеличения точности измерения при поиске рационального временного интервала квантования для сигналов, представляющих случаиные нестационарные процессы, в него введены операционный усилитель, суммирующее устройство, устройство мажоритарной выборки, устройство перевода кода и компараторы погрешностей восстановления входного сигнала, первые входы которых подключены ды — к входам устройства мажоритарной выборки, выходы последнего через устройство перевода кода соединены с входами сумматора интервала квантогания, одни входы суммирующего устройства через операционный усилитель подключены к выходу цифро-аналогового преобразователя, а другие входы — к выходу источника дополнительных образцовых напряжений.

2. Преобразователь по п. 1, о т л и ч а юшийся тем, что, с целью уменьшения динамической погрешности устройства, в нем регистр цифро-аналогового преобразователя выполнен в виде сумматора, входы части разрядов которого подключены к соответствующим выходам устройства перевода кода, а выход компаратора максимального уровня погрешности восстановления входного сигнала соединен с одним из входов устройства управления.

Приоритет по и. 2: 10.02.72

433634

Пуск

Составитель Г. Живилов

Техред О. Вешкииа

Корректоры: В. Петрова и О. Данишева

Редактор А. Зиньковский

Типография, пр. Сапунова, 2

Заказ 3166/18 Изд. № 68 Тираж 811 Подписное

ЦНИИПИ Государственного комитета Совета Мннисгров СССР но делам изобретений и открытий

Москва, Ж-35, Раушская наб,, д. 4 5