Функциональный цифро-аналоговый преобразователь

 

ОПИСАНИЕ

ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЬЬСТВУ

Союз Советских

Социалистических

Республик

«>741289 (61) Дополнительное к авт. сеид-ву (22) Заявлено 081075 (21) 2178892/18-21 (51)М. Кл. с присоединением заявки №

G 06 У 7/26

Государственный комитет

СССР по делам изобретений и открытий (23) Приоритет

Опубликовано 150680. Бюллетень ¹ 22

Дата опубликования описания 150680 (53) УДК 681. 325 (088. 8) (72) Авторы изобретения

P. — Â.Ï, Ребане и Э.А.-A. Рюстерн (71) Заявитель (54 ) ФУНКЦИОНАЛ ЬНЫИ ЦИФРО-АНАЛОГОВЫЙ

ПРЕО БРАЭО ВАТЕЛЬ е

Изобретение относится к цифроаналоговым преобразователям, находящим применение в радиотехнических установках различного назначения (например„ в компенсаторах диодных высокочастотных вольтметрах переменного напряжения, в схемах компарирования выходного напряжения нелинейных датчиков и т.д.), в электро« измерительной и электронно-вычисли-30 тельной технике, системах управления и автоматики.

Известен цифро-аналоговый преоб-. разователь, содержащий генератор импульсов, счетчик импульсов, узел 15 сравнения кодов,, блок преобразования напряжения с аналоговым ключом, блоком управления аналоговым ключом, источником образцового напряжения и усредняющим устройством {1).. 20

Недостатком известного цифроаналогового преобразователя является воэможность иметь только линейную зависимость между входным управляющим кодом и выходным напряжением.

Наиболее близким по технической сущности к данному изобретению является цифро-аналоговый преобразователь (IJAII) с промежуточным преобразованием в широтно-импульсно моду- 30

2 лированный (ШИМ) сигнал, содержащий генератор импульсов, счетчик импульсов, первым кодовым выходом соединенный с первыми кодовыми входами первого и второго узлов сравнения кодов и выходом нулевого положения— с первыми входами первого и второго узлов управления, вторые входы которых соединены с выходами соответственно первого и второго узлов сравнения кодов, вторыки кодовыми входами соединенных с кодовыми входами соответственно старших и младших разрядов преобразователя, соединенные последовательно источник образцового напряжения, первый аналоговый ключ и у гредняющее устройство, выход которого служит выходом преобразователя, второй вход усредняющего устройсгва соединен с выходом источника образцового напряжения через второй аналоговый ключ, вторые входы аналоговых ключей соединены с выходами соответствующих узлов управления, а выход генератора импульсов соединен со входом счегчика импульсов (2).

Недостатком этого известного ЦАП является также только линейная зависимость между значением преобразуе741289 мого кода и выходным аналоговым сигналом, так как использование младших разрядов преобразуемого кода для получения функционального преобразования не обеспечивает требуемой точности из-за суммирования напряжения, пропорционального значению кода младших разрядов, с напряжением, пропорциональным значению ко®а старших разрядов с постоянным весовым коэфФициентом.

Цель изобретения — получение функциональной зависимости между выходной аналоговой величиной и значением преобразуемого кода.

Поставленная цель достигается тем, что в UAII с промежуточным преобразованием в ШИМ-сигнал введены счетчик с выходным дешифратором, два блока постоянной памяти кодов, третий узел сравнения кодов и модулятор, выход .которого подключен ко входу счетчика импульсов, вход модулятора — к выходу генератора импульсов, второй кодовый выход счетчика импульсов соединен с первым кодовым входом третьего узла сравнения кодов, выход которого череэ счетчик с выходным дешифратором подключен ко входам блоков постоянной памяти кодов, выход первого иэ которых соединен со вторым кодовым входом третьего узла сравнения кодов, а выход второго блока постоянной памяти кодов — со вторым входом модулятора.

Цель изобретения — также повышение точносТи функционального преобразования.

Эта цель достигается тем, что в преобразователь введен блокирующий узел, выход которого подключен ко второму входу второго узла управления, первый вход — ко второму кодово. му выходу счетчика импульсов, а второй вход — к дополнительному. выходу первого узла управления.

Применение такого преобразователя в кОмпенсаторах позволяет легко изменять характер функциональной зависимости между выходной аналоговой величиной и входным преобразуемым кодом, что необходимо для перехода от Одного типа датчиков к другому или при применении детекторных диодов с различными характеристиками.

На фиг, 1 представлена блок-схема функционального ЦАП с промежуточным преобразованием в ШИК-сигнал; на фиг. 2 — график работы преобразователя, представленного на фиг.l; на фиг. 3 — блок-схема ФУнкционального

ЦАП с промежуточным преобразованием в ШИН-сигнал, имеющего повьзаенную точность преобразования; на фиг.4 осциллограммы работы преобразователя, представленного на фиг.3.

Функциональный преобразователь содержит генератор 1 импульсов, счетчи

2 импульсов, первый и второй узлы

3 и 4 сравнения кодов и блок 5 преобразования напряжения. В блок 5 включены первый и второй аналоговые ключи 6 и 7, к первым входам которых подключены выходы соответсгвенно первого и второго узлов 8 и 9 управления. Ко вторым входам аналоговых ключей 6 и 7 подсоединен выход источника 10 образцового напряжения. Выходы ключей 6 и 7 соединены со входами усредняющего устройства 11, Вход 12 старших разрядов преобразуемого кода соединен со вторым кодовым входом узла 3, выход которого соединен со вторым входом узла 8. Вход

13 младших разрядов преобразуемого кода соединен со вторым входом узла

4, выход которого соединен со вторым входом узла 9. К выходной клемме 14 преобразователя подключен выход усредняющего устройства ll. Парал20 лельный кодовый выход 15 счетчика 2 соединен с первыми входами узлов

З.и 4; Выход 16 нулевого положения счетчика 2 соединен с первьми входами узлов 8 и 9 управления. Выход генератора 1 подключен к первому входу модулятора 17. Выход счетчика 18 с выходным дешифратором подключен ко входам первого и второго блоков 19 и 20 постоянной памяти

3Q КОДОВ ° ВыхОД втОРОГО иэ этих блОкОв подключен ко второму входу модулятора 17, выходом соединенного со входом счетчика 2. К первому кодовому входу третьего Узла 21 сравнения кодов подключен втоРой кодовый выход

22 счетчика 2, ко второму кодовому входу — выход блока 19, а к выходу — вход счетчика 18 с дешифратором.

На фиг. 2, а кривая у = f (х) изображает аппроксимируемую зависимость; ломанная линия OABC — кусочно-линейную зависимость, аппроксимирующую зависимость у = f (õ) с наперед заданной точностью; кривая б — накопление кода в счетчике 2; в — счетные импульсы на выходе модулятора 17 периода следования счетных импульсов, здесь Г., д, с — периоды следовайия счетных импульсов на аппроксимкрукийих отрезках ОА, AB,ÂÑ соответственно; г — импульсы на выходе узла 3 сравнения старших разрядов кодов; кривая д — положения счетчика 18 числа аппроксимирующих отрезков; е — импульсы, поступающие на узел 8 управления аналоговым ключом

6; 1,3. — импульсы на выходе 16 декадного счетчика 2 импульсов, возникающие в момент совпадения старших разрядов управляющего кода и кода в счетчикеу 2 — импульс на выходе узла 3 сравнения; ж — эпюра напряжения на выходе аналогового ключа 6; кривая з — напряжение на выходе усредняющего устройства ll; кри741289 вая и — эпюра напряжения на выходе аналогового ключа 7.

Работа преобразователя при преобразовании старших разрядов преобразуемого кода происходит следующим образом. 5

Преобразователь работает с постоянным периодом повторения процесса Т, определяемым объемом Б „ расчетчика 2, . поэтому выходное напряжение U>»„ зависит от длительности интервала т, Т1 (фиг. 2 ) 0в,х= т (1)

Нетрудно убедиться, что

=Й1 Г,+(й -М1У(+(l4 -й. И =сооэ1

15 отсюда

М„ Г„(й2-и,)72 г(н1ан (живых= н..+ н -н и + м -н т

1 Ъ 1 2 10Х Ъ Ъ 20

Из Формулы (2), которая является общей как для кусочно-линейной, так и для плавной аппроксимации, ясно, что зависимость Uas>x (И2) является: линейной, если С (N) =T =invar (N) нелинейной, если Г(И) ф invar (N)

Например, если C (N) = Co N, получим квадратичную зависимость

Тр

Ов„, =Е 11, .

Из вьааеизложенного следует, что, изменяя период следования (1 счетчика 2 в зависимости от значения .текущего кода N накапливаемого в нем можнО пОлучить различную зависимость между U и кодом Nz на входе 12.

Период следования счетных импульсов изменяется при помощи модулятора

17, который управляется от блока 20 постоянной памяти кодов крутизны аппроксимирующих отрезков. Последний выдает код управления модулятором

17 и зависимости от текущего кода накопленного в счетчике 2. Код управления переключается при помощи счет- 45 чика 18.

Покажем, каков должен быть характер зависимости периода следования импульсов (от значения текущего кода N. Проднфференцнровав (2), по- 5О лучшим " .,отсюда „1 ъь аО„,„(H). Ctv дО „(И1

Следовательно, модулятор 17 должен вырабатывать период следования счетных импульсов пропорционально крутизне (производной) передаточной функции ()Вых — — ()ВЫ„ (М). На основании выаеописаййого функциональная зависимость между входным кодом N. u выходным напряжением преобразователя бО достигается посредством нелинейного заполнения счетчика 2 преобразователя.

При исходном положении преобразователя (в момент времени О ) в 65 исходном нулевом положении находятся счетчик 2 и счетчик 18 числа аппрок- симирующих отрезков (фиг. 2д, уровень N ). Предположим также, что на вход с узла 3 со входной клеммы 12 подается входной код N2 (Фиг.2а,б), соответствующий выходному напряжению

U .B этом положении на вход модулятора 17 иэ блока 20 поступает код, соответствующий периоду С (фиг.2в) следования импульсов заполнения счетчика 2 на отрезке OA а на вход третьего узла 21 сравнения кодов из блока 19 поступает код, соответствующий точке A перелома (фиг,2б), Описанное положение возникает после сбрасывания счетчика 2 и счетчика

18 числа аппроксимирующих отрезков импульсом Ц (фиг.2е) в исходное нулевое положение. В этом положении ключ б замкнут и на вход усредняющего устройства 11 поступает образцовое напряжение от источника 10. Выходные импульсы модулятора 17, период следования которых ., (Фиг.2в) определяется выходным кодом блока 20; соответствующим крутизне отрезка ОА (фиг.2а,б), поступают на вход счетчика 2, который начинает заполняться.

Код М1, соответствующий точке перелома A (фнг.2б) подается с его кодовых выходов 15 и 22 на входы узлов 3 и

21 сравнения кодов. На вход узла 21 сравнения из блока 19 подается код, соответствующий точке A перелома (Фиг.26). В момент равенства кодов на входах узла 21 на его выходе возникает импульс A (фиг.2г), считываемый счетчиком 18, и система переходит в состояние N (Фиг.2д), в результате чего на вход модулятора 17 и на вход узла 21 подаются новые коды, соответствующие периоду следования импульсов на выходе модулятора 1 7

Г2 (фиг.2в) и точке перелома В (фиг.2д), соответственно. В результате этого, период следования счетных импульсов меняется пропорционально крутизне аппроксимирующего отрезка

AB и становится равным - .2 (Фиг.2в).

При заполнении счетчика 2 до кода, соответствующего точке В, происходят процессы, аналогичные процессам, имеющим место в точке А. Когда счетчик 2 заполняется до кода, соответствующего входному коду Nz (фиг.2б), узлом 3 вырабатывается импульс, который действуя на узел 8 (Фиг.2е, поз.2), размыкает ключ 6 и прекращает поступление образцового напряжения (фиг.2к) от источника 10 на вход усредняющего устройства 11. Процесс продолжается до полного заполнения счетчика 2, тогда схема переключается в исходное нулевое положение (фиг.26, точка С), после чего весь процесс начинается снова и циклически повторяется.

741289

Процесс преобразования младших разрядов управляющего кода происходит следующим образом. При исходном положении (в момент времени 0 ) импульс с выхода 16 счетчика 2 включает через узел 9 управления ключ 7 5 и образцовое напряжение источника 10 подключается на второй вход усредняющего устройства 11. Когда код в счет. чике накопится до значения, равного, младшим разрядам кода управления Ng 10 на входе 13, тогда на выходе узла 4 сравнения возникает импульс, переключающий через узел 9 управления ключ 7 в исходное состояние, и подача напряжения от источника 10 на второй вход усредняющего устройства прекращается. Таким образом, на втором входе усредняющего устройства 11 образуется импульс с длительностью Т . и периодом повторения Т, Усредняющее устройство 11 усредняет это напряжение и суммирует в заданном соотношении с усредненным напряжением старших разрядов кода управления, поступающих через ключ б, и образуется суммарное напряжение на выходе 14 преобразователя. Напряжение на выходе 14 от младших разрядов кода управления пропорционально выражению (фиг.2бри): т,,(я юаи (li) ЭО вых т т

Напряжение П. „ зависит только от кода N„, è нейропорционально крутизне МАРЫ хаРа теРистики Ре — a., образования в окрестности точки N-, как эта требуется на основании разложения функции преобразования в ряд Тейлора. По этой причине код младших разрядов преобразуется с мето-4О дической погрешностью тем большей, чем больше изменение крутизны а й"-- и диапаеоие Оаип Ип,е» б" т

Исходя из этого, данное решение уве- 45 личения разрешающей способности применимо в функциональном преобразоват еле при небольших изменениях крутиэ-! ны и небольшом значении N ä (напРимеР, если И . = 0,01 И п„,и 0ьа1»(М крутизна 3н меняется в два раза то можно обеспечивать методическую погрешность преобраэовани

I я младших разрядов + О, 17%.

Таким образом, наста ящее и зобретение обеспечивает достижение поставленной перед ним цели — получение функциональной зависимости между вы,хо дной аналоговой величиной и значелонием управляющего кода цифро-аналогового преобразователя с промежуточным преобразованием в ШИМ-сигнал.

В еобразователе, представленном пр

2 а фиг 3 генератор 1, счетчик

12 узлы 3,4, со входными клеммами

13, блок 5 с ключами 6,7 и узлами

8,9 управления, источником 10, усредняющим устройством 11 и выходной клеммой 14, модулятор 17, счетчик 18, блоки 19 и 20 постоянной памяти кодов и узел 21 соединены между собой аналогично одноименным узлам преобразователя, схема которого дана на фиг.1. Ко второму входу узла 9 подключен выход блокирующего узла

23. Ко второму входу 25 узла 23 подключен дополнительный выход 26 узла 8 управления ключом б, а к первому входу 24 узла 23 — второй кодовый выход 22 счетчика 2.

В этом преобразователе на вход узла 9 управления аналоговым ключом

7 подаются управляющие импульсы с выхода узла 4 сравнения кодов и с выхода блокирующего узла 23. На первый вход узла 4 подается код с выхода 15 счетчика 2. На второй вход узла 4 со входной клеммы 13 подаются младшие разряды преобразуемого кода.

На первый вход 24 блокирующего узла

23 подается код с выхода 22 счетчика 2, на второй вход 25 узла 23 подаются импульсы с дополнительного выхода 26 узла 8 управления ключом б.

Ключ 7 включается после выключения ключа б и выключается при совпадении кодов на входах узла 4 сравнения кодов. Блокирующий узел 23 обеспечивает.однократность включения и выключения ключа 7 в течение одного цикла, Выходные импульсные.напряжения обоих ключей б и 7 суммируются и усредняются устройством 11.

Осциллограммы работы преобразователя с повышенной точностью преобразования (фиг,4) изображают зависимость входного напряжения усредняющего устройства 11 от времени для ключа б (()вх) и для ключа 7 (П,,„) .

Здесь Т вЂ” интервал времени, в течение которого замкнут основной ключ

6, Т„ — интервал времени, в течение которого замкнут ключ 7, Т вЂ” интервал времени, соответствующий времени полного цикла (длительность цикла).

На фиг, 3 и 4 видно, что временное расположение импульса Т1, соот I ветствующего ыладшим разрядам кода

N„ 3 HcHT oT HTe Ho T T им2 пульса старших декад..кода Nz дл .— ( тельность Т1, определяемая значением периода следования )."(Nz) счетных импульсов при окончании Т1 (например, фиг.2 = при Т и N<),т.е, зависит от значения старших разрядов кода управления Nq. Следовательно, преобразование младших разрядов

N кода производится пропорционально производной в соответствии с формулой (3):

М -Е - =Š— — п », 1 ) т С(М2) М2 ао (М 1 выем т т дх, /41289

S0 что находится в соответствии с выводами, сделанными выше на основании формулы Тейлора,и .обеспечивает тем самым высокую точность преобразования младших разрядов преобразуемого кода.

Таким образом, настоящее изобретение обеспечивает повышение точности функционального преобразования, Применение функционального цифроаналогового преобразователя с промежуточным преобразованием в ШИМ-сигнал в радиотехнических устройствам дает воэможность заменить в них, например, малонадежные резистивные делители напряжения, параметры которых зависят от температуры и нестабильны во времени ° При этом устраняется также необходимость включения переключателей в сигнальную цепь, как это делается в резистивных делителях напряжения, где к переключателям предьявляются высокие требования в части переходного сопротивления и сопротивления изоляции. В схемах с функциональными цифро-аналоговыми преобразователями с ШИМ-сигналом в качестве делителей напряжения переключатели находятся в цепи входного управляющего кода и к ним не предьявляется высоких требований. Следовательно, реализация функционального цифро-аналогового преобразователя согласно настоящему изобретению

:поэноляет создать радиотехнический узел, например, управляемый функционально источник напряжения, обладающий высокой надежностью, которую мож.— но повысить еще более реализацией его на современных интегральных элементах.

Формула изобретения

1. Функциональный цифро-аналоговый преобразователь с промежуточным преобразованием в широтно-импульсно модулированный сигнал, содержащий генератор импульсов, счетчик импульсов, первым кодовым выходом соединенный с первыми кодовыми входами первого и второго узлов сравнения кодов и выходом нулевого положения с первыми входами первого и второго узлов управления, вторые входы

10 !

45 которых соедин ены с выходами соответственно первого и второго узлов сравнения кодов, вторыми кодоными входами соединенных с кодовыми входами соответственно старших и младших разрядов преобразователя, соединенные последовательно источник образцового напряжения, первый аналоговый ключ и усредняющее устройство, выход которого служит выходом пре- образователя, второй вход усредняющего устройства соединен с выходом источника образцового напряжения через второй аналоговый ключ, а вторые входы аналоговых ключей соединены с выходами соответствующих узлов управления, о т л и ч а ю щ и йс я тем, что, с целью получения функциональной зависимости между выходной аналоговой величиной и значением преобразуемого кода, в него введены счетчик с выходным дешифратором, дна блока постоянной памяти кодов, третий узел сравнения кодов и модулятор, причем выход последнего подключен ко входу счетчика импульсов, вход модулятора — к выходу генератора импульсов, второй кодовый выход счетчика импульсов соединен с первым кодовым входом третьего узла сравнения кодов, выход которого через счетчик с выходным дешифратором подключен ко входам блоков постоянной памяти кодов, выход первого из которых соединен со вторым кодовым входом третьего узла сРавнения кодов, а выход второго блока постоянной памяти кодов — co вторым входом модулятора.

2. Преобразователь по п,1, о тл и ч а ю шийся тем, что, с целью повышения точности функционального преобразования, в него введен блокирующий узел, выход которого подключен ко второму входу второго узла управления, перный вход — ко второму кодовому выходу счетчика импульсов, а второй вход — к дополнительному выходу первого узла управления.

Источники информации, принятые во ннимание при экспертизе

1. Патент Ct1tA Р 3646595, кл. 340-347 NT.

2. Патент Франции Р 1484701, кл. G 01 R (прототип).