Аналого-цифровой преобразователь

 

О П И С А Н И Е 921079

ИЗО6РЕТЕН ИЯ

Союз Советских

Социалистических

Республик

* г . Г ,Г

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (6l ) Дополнительное к авт. свид-ву— (22) Заявлено 1 1.07.80 (21) 2958448/18-2 1 с присоединением заявки №вЂ” (51) М. Кл.

Н 03 K 13/20

1Ьвудврствеиый кеиитет

СССР ао делан изебретеиий и открытий (23) Приоритет.I

Опубликовано 15.04.82. Бюллетень № 14 (53) УДК 681. .325(088.8) Дата опубликования описания 18.04.82

A. А. Першин, Г, Г, Безыменко, А. Т. Ка

А. В. Мисюрин и Ф. С, Карманова (72) А вторы изобретения

Карагандинский филиал особого конструктор

Всесоюзного научно-исследовательского ин автоматизации черной металлургии (7l) Заявитель (54) AHAJIGIQ-1184>POBOA IIPEOBPA3OBATEJIb.Изобретение относится к импульсной технике и может быть использовано в устройствах связи первичных преобразователей физических параметров с цифровыми устройствами обработки автоматизированных систем управления.

Известен аналого-цифровой преобразова- тель, содержащий генератор пилообразного напряжения, выход которого подключен к . первому входу компаратора, второй вход которого через ключ подключен к первому и второму входам устройства, выход компаратора подключен к первому входу первого вентиля, второй вход которого подключен к выходу генератора импульсов, а третий вход подключен к выходу командно. го устройства, имеюшего механическую связь с генаратором пилообразного нап-, ряжения, выход первого вентиля подключен к счетному входу счетчика импульсов, вход установки исходного состояния которого подключен ко второму выходу командного устройства, выходы разрядов счетчика им-! пульсов являются выходами устройства, выход старшего разряда счетчика импульсов подключен к первому входу второго вентиля, второй вход которого подключен к третьему выходу командного устройства, выход второго вентиля подключен ко входу усилителя автоподстройки, выход которого подключен ко входу генератора пилообразного напряжения и третьему входу устройства, четвертый выход командного устройства подключен ко входу триггера переключения режима работы, выход которого имеет механическую связь с ключом 513.

Недоста"тком устройства является сложность создания генератора пилообразного напряжения, обладающего высокой линейностью характеристики.

Известен аналого-цифровой преобразователь, содержащий генератор линейно изменяющегося напряжения, выход которого подключен к первым входам первого, второго и третьего блоков сравнения напряжений, вторые входы которых подключе ы соответственно к первому, второму и тре79

3 921О тьему BxoBRM устройства, выход первого блока сравнения напряжений через. первый формирователь импульсов подключен ко вхоцу запись регистра памяти, выхоц второго блока сравнения напряжения через второй формирователь импульсов подключен к первому вхоцу триггера и входу

"сброс" счетчика импульсов, выход тре«

I тьего блока сравнения напряжений через третий формирователь имцульсов подКлю- 10 чен ко второму вхопу триггера и входу устройства сравнения, выход триггера подключен к первому вхоцу элемента И, второй вход которого подключен к выходу генератора изменяюшейся частоты, первый вход которого является четвертым входом устройства, а второй ахоп . поцключен к выхоцу устройства сравнения, выход элемента И подключен к счетному входу счетчика импульсов, группа выходов которого подключена к группе входов устройства сравнения и группе входов регистра памяти, группа выхоцов которого является группой выходов устройства f2) первому «ыхоцу второго кл>о (A и пор«ой обкладке конпа1сатора, вторая обкладка которого, а также второй выход второго ключа и второй вывод понтециометра соединен с общей шиной устройства, второй вход триггера подключен к первым входам первого и второго дополнительных триггеров, к выхопу первого дополнительного формирователя импульсов и выходу сброс суммирующего счетчика импульсов, выхоц которого подключен ко второму входу второго дополнительного ариггера, первые выходы триггера и второго дополнительного триггера подключены соответственно к первому и второму входам первого элемента И, выход которого подключен к первому входу элемента ИЛИНЕ, вторые выходы триггера и второго дополнительного триггера подключены сс ответственно к первому и второму вхоцам второго элемента И и первым входам третьего и четвертого элементов И, выхоц

I второго элемента И подключен ко второ<му входу. элемента ИЛИ-НЕ, выход кото25

Недостатком устройства является низкая точность преоЦразования и ограниченные функциональные возможности.

Цель изобре тения — повышение точности преобразования и расширение функциональных возможностей устройства.

Поставленная цель достигается тем, что в аналого-цифровой преобразователь, содержаший цва блока сравнения напряжений, первые вхоцы которых обьецине35 ны, выход первого блока сравнения напряжений через первый формирователь импульсов подключен ко вхоцу запись регистра памяти, выход второго блока сравнения напряжения через второй форми40 рователь импульсов подключен к первому входу триггера, суммирующий счетчик импульсов, разрядные выходы которого подключены к соответствующим входам рещстра памяти, введены четыре счетчи 45 ка импульсов, блок вычитания частот, два дополнительных триггера, два ключа, конденсатор, резистор, три элемента И, элемент ИЛИ-НЕ, ждуший мультивибратор, цва дополнительных формиро«ателя импу- 50 льсов, потенциомегр, причем первый выхоц первого ключа через резистор поцключен к первому выводу потенциометра, подвижный контакт которого подключен ко второму входу второго блока сравнения 55 напряжений, первые входы первого и второго блоков сравнения напряжений подключены ко второму выхоцу первого ключа, рого подключен ко входу второго дополнительного формирователя импульсов и ко вторым входам третьего и четвертого элементов И, третьи вхоцы которых обьецинены, а BbfxoAbl подключены соответственно к суммирующему и .вычитающему входам первого счетчика импульсов, выход. второго дополнительного формирователя импульсов подключен ко второму входу первого дополнительного триггера и вхоцу ждущего мультивибратора, выход которого подключен ко входу первого цополнительного формирователя импульсов, первый и второй выходы первого дополнительного триггера подключены соответственно ко входам первого и второго кшочей, разряцные выхоцы первого счетчика импульсов подключены к соответствующим входам второго счетчика импульсов, а выход подключен к первому вхоцу блока вычитания частот и счетному входу третьего счетчика импульсов, выход которого подключен к счетному входу четчертого счетчика импульсов, группа входов которого подключена к разрядным «ыходам суммируюшего счетчика импульсов, а выхоц подключен к второму входу блока вычитания частот, выход которого подключен к счетному входу суммируюшегo счетчика импульсов.

Структурная электрическая схеча устройства приведена на чертеже.

Устройство содержит счет fffKH 1-0 импульсов, ретистр 6 памяти, Г>лок. 7 «ы5 гитания частот, триггеры 8, 9 и 10 с раздельным запуском, ключи 11 и 12, блоки 19 и 14 сравнения напряжений, кснценсатор 15, элемент 16-19 И, элемент:20 ИЛИ- НЕ, ждуший мультивиб- 5 ратор 21, формирователи 22-25 импульсов, потенцнометр 26, резистор 27.

Аналого,вый сигнал Uhr< поступает на первый вход блока 13. На счетный вход счетчика 1 поступает посждова- 30 тельность импульсов эталонной частоты

fo . На оцин из вхоцов элементов И 18 и 19 поступает последовательность импу-. льсов частоты 1о

Принцип преобразования напряжения в коц заключается в том, что устройство содержит цва функциональных генератора сигнала экспоненциальной формы: аналоговый, состояший из конценсатора 15, регистра 27, ключей 11 и 12 и цифровой, состоящий иэ блока 7, счетчиков 2, 4 и

5, Счетчики 1, 4 и .5 являются делителями частоты переменным коэффициентом делания, счетчик 2 работает на сложение, счетчик 3 является реверсивным. Входной аналоговый сигнал Usx сравнивается с напряжением экспоненциальной формы. В момент их равенства считывается мгновенное значение выходного кона . цифрового генератора, пропорциональное значение входного, аналогового сигнала.

Устройство работает следуюшим образом.

Начало цикла преобразования опрепе-,-. ляет сигнал с awcona формирователя 25, который, поступая на первые вхоцы триь3 геров 8-10, устанавливает их в исходное состояние и осуществляет сброс счетчика 2. Единичные сигналы с первых выходов триггеров. 9 и 10, через элементы 16 И, 20 ИЛИ НЕ поступают на вто4 рые входы элементов 18, 19 И, запрещая прохождение частоты fn через них на входы счетчика 3. Единичный сигнал с Г: первого выхода триггера 8 замыквет. ключ 11, подключающий ксжценсатор 15 к источнику напряжения Un. Одновремен. до начинается заряц конденсатора 15 через резистор 27 и.набор информаций в счетчике 2, начиная с нулевого значения.

Во время заряда конденсатора напряжение на нем изменяется по закону

92 10 79

При ОЬк = Ц срабатывает блок 13 и сигнал с его выхода через формирователь

2s 22 произвоцит запись кода из счетчика 2 в реестр 6.

В устройстве осуществляется отслежи ванне эа изменением Тп, в установившемся режиме, которое может возникнуть иэ-эв

3о нестабильности эювментов устройства, под воздействием раэличиьи дествб илизируюших факторов.

Конденсатор 15 подключен к первым входам блоков 19 и 14, на вторые входы которых подаются соответственно входное преобразуемое напряжение Обх и пороговое напряжение Unep с лотенциометра 26. Величина U nop о,пределяется иэ выражения (1) при t =Tq

U nQp = 0 (4 « ) 0,6Ъ О о, При достижении напряжения на концен;саторе 15 величины 0ларблокв 14,сиг нвл с его выхода через формирователь 29 поступает на второй вход триггера 9.

На счетный вход счетчика 2 поступает последовательность импульсов с выхода блока 7, на выходы которого поступают частоты 1 с выхода счетчика . 1 и fg. с выхода счетчика 5.

Коц Й в счетчике 2 в начале цикла преобразования растет с онредежиной . скоростью, зависящей от -частоты f< °

Но мере роста кода Й эа счет цепи обрвтнрй связи, включающей счетчики

Ф и 5, растет частота fg нв входе блока 7 и уменьшается частота на входе счетчика 2: fg - f . При этом скорость роста, кода И падает.

Ц =Ц ()- 1а) гце

- текущее время, - постоянная времени аналого вого генератора (заряда кон ъенсатора 15);

6 — основание натурального логарифма. .Выходной коц счетчика 2 изменяется по закону

Я =До(< - V ), (2) где Мо — коц, к которому стремится цифровая экспонента;

Т, - постоянная времени цифрового генератора.

Иэ выражения (1) получаем

t = -Т Е (1-. „-„) ()

0 и поцставляем в выражение (2)

N =N,t<-(<- ц )т .).

0 (4)

Отсюда при Тв-Т (5) получаем линейную зависимость кода в счетчике 2 от изменения напряжения нв конденсаторе 15! ь| Обх . 4 — U 3 - МО U (6) (12) отсюца

30 (15) 10

Мв =

К 0,63 2 .

7 92 10

Таким образом, пощчается зкспоненцнальная характеристика цифрового генератора ЙП1 (8)

S гце L - коц íà купце выходов счетчи-. ка 3, подключенных к группе входов счетчика 1

Щ - осло разрядов счетчика 1.

p .N 2.- 2ор ) . (9) гм И - код на группе выходов счетчика 2, поцключенных к груп.. пе входов счетчика 5; » па - число разряцов счетчика 5. Is у =KI, (10), Я гце К - постоянный коэффициент, установжнный в счетчике 4 и за« даюший требуемую частоту fg и(- число разряцов счетчика 4. р б КМ

Р\»ц.gn5 (1 1) 2S

В установившемся режиме Й No»»=6

PI К ° Ио

f »» " р»1» (.м Б - у

2л РА5

Иа= g (13)

Из выражения (2) при 1 =Т( g=(»(o(< ДОЮ((О 1 ((ц»» выбрав объем счетчика 2 =О,63Мо, гце n - число разрядов счетчика 2, получаем

Приравняв выражения (13) и (15), получаем лч 2 па

К 0,63

Если объемы всех счетчиков принять одинаковыми, ro

° »

Получим выражение цля постоянной времени цифрового генератора.

В начальный момент времени цикла преобразования посж сброса коц в счет чике 2 Й =О, поэтому частота на выходе счетчика 5, как видно из выражения f 11)

Е,-0.

79. 8

Скорость нарастания кс-ца в счет шк»

2 при t. =0 равна частоте Р (. Из выражения (2) .4 у ((- (=(» (17) Приравнивая выражения (8) и (17) и подставляя No из формулы (13), нахацим:

Сигнал переноса счетчика 2 поступает на второй вхоц триггера 10.

Устройство после включения питания изменяет Т(», таким образом, чтобы выполнялось равенство Т, =Тс(Предположим,, что Ти, оказалось меньше 4 . Как вицно из формулы (18), чтобы увеличить Т при постоянных объемах счетчиков, выбранных частоте и .коэффициенте К, надо уменьшить код (. в "четчике 3.

Действительно, в схеме при Т.(, . Та сигнал переноса на выходе счетчика 2 возникает раньше, чем на выходе блока.

14. Это приводит к опрокидыванию. триггера 10, триггеры 9 и 10 оказываются в противоположных- состояниях, и на выхоце элемента 20 ИЛИ-HE появится логижская 1, открывающая по вторым входам элементы 18 и 19 И. На третий вход эжмента 19 И поступает логическая J.» со второго выхоца, триггера 10, поэтому послецовательность импульсов с частотой

fo поступающая на первые входы эле, ментов 18 и 19 И, проходит через эле(мент 19 И на вход вычитания реверсив ного счетчика 3, а через элемент 18 И .не проходит, так как он закрыт по третьему входу. (Частотой г, вычитается часть соцержимого счетчика 3 в течение времени, равного разности Ts-Тч. При цостФкении напряжением U HB конденсаторе значения

Ц ар(момент сравнения соответствует времени Ta.) срабатывает блок 14 и си нал с его выхода, пройця через формирователь 23, опрокинет триггер 9, на выхоце элемента 20 ИЛИ-НЕ появится логический 0", который запретит прохо>кюние частоты 1о на вхоц счетчика 3. В этот момент времени, т.е. по зацанному фронту импульса, возникающего на выходе элэмента 0 ИЛИ-НЕ, формирователем импульсов 24 формируется сп( ныл, опрокицывающий триггер 8. Г!рн етом

9 92 10 лог гческий 0 с первого выхода триггера 8, поступая на вход ключа ll размыкает ее, а логическая 1 со второго вы хода триггера 8, поступая на вход ключа

12, замыкает ее. Происходит разряд кон- S денсатора 15 через ключ 12.

С выхоца формирователя импульсов

24 сигнал поступает также на вход ждущего мультивибратора 21, который выбрасывает импульс,, длительность которо- 10

ro выбирают такими обрацом, чтобы за это время произошел полный разряд кон денсатора. По зацнему фронту этого импульса формирователем импульсов 25 формируется сигнал начала цикла. Описанный t5 цикл автоматически повторяется.

К началу нсвого цикла преобразования значение кода в счетчике 3 уменьша ется, соответственно уменьшается частота I q согласно формуле (8)., щ

Набор информации в счетчике 2 происходит с меньшей частотой, М сигнал переноса на его выходе возникает позже, чем

s предыцущем цикле, т.е. Тц,. возраста-; .ет; 2S

Есвг станет Тц) Тэ, т.е. сравнение . напряжения на конденсаторе 15 с пороговым напряжением, установленным потенци ометром 26 =0во произойдет раньше, чем заполнение счетчика 2, то сигнал с выхо- 0

:aa блока 14 через формирователь 23 поступает на второй вход триггера 9 раньше, чем сигнал переноса с выхода счетчика 2 на второй вход триггера 10. На промежуток времени, равный разности

Т -Ta, открывается элемент 18 И для прохождения частоты î на суммирующий вход реверсивного счетчика 3, увели» чивая его содержимое к следующему циклу преобразования.

Отработка такого состояния устройс» ва, при котором Ти, =Тц, прсисхоцит в

:первые несколько циклов после ее включения. Затем устройство поддерживает это равенство, отслеживая изменения Ta вызванные, например, изменением величины емкости конденсатора 15 при изме некии температуры.

Во время описанного цикла происходит сравнение входного напряжения О 5q с напряжением На конценсаторе 15. В момент

56 времени, когда U4= О, срабатывает блок

13. Сигал с выхоца через формирователь 22 производит запись коца, полученного к данному моменту времени в счетчике 2, в регистр 6. Код в регистре 6 является выходным коцом устройства, соответствующим входному аналоговому сигналу.

79 10

Такким образом, использование принпипа отслеживания эа равенством постоянных времени аналогового и цифрового генератора позволяет повысить точность преобразования.

Данная, схема преобразователя имеет широкие функциональные воэможности.Она позволяет осуществить нелинейное преобразование входного аналогового сигнала в коц в соответствии с формулой ,Я 0 ((1 Q ) 3 (19) где А = — - может быть как больше 1

Тй

Т

° Ь так и меньше l.

В этом случае преобразователь рабо тает точно так же, как описано выше, только устройство отслеживает вместо га

То =Тц за равенством Т,= . Величина порогового напряжения, устанавливаемого на втором входе блока 14, опре деляется из выражения . ( Un0P = ОП(1- P.) (20) — °

Кроме того, можно получить преобра-, зование аналогового сигнала в код по логарифмическому эакоцу. Для этого необходимо отключить частоту L от входа блока 7 вычитания частот 7. Тогда коц в ,счетчике 2 изменяется по линейному закону М = t (21) (цифровой функциональный генератор сйтала экспоненциаль-ной формы превращается в генератор сигнала, изменяющегося по линейному aakoну) +n

I . Р4=

Ф ор мула изобретения.

Аналого-цифровой преобразователь, со держащий два блока сравнения напряжений, первые входы которых обьецинены, выход первого блока сравнения напряжений через первый формирователь импульсов подключен к входу "запись" регистра памяти, выход второго блока сравнения напряжения через второй формирователь импульсов подключен к первому входу триггера, суммирующий счетчик импульсов, разряцньге выходы которого подключены к соответст/ тц (22)

Подставив в выражение (2 1) значение

t u f иэ формул (1) и (22), получаеь .

М= = — — 6л (1 }=-2. д Сл(4- < (23)

- тМ л Н ио

Изменяя выбором величины порогового напряжения U пар можно изменять масштаб пре обраэователя.

11 92 10 вуюшим входам регистра памяти, о тл и ч а ю ш и и с я тем, что, с целью повышения точности преобразования и расширения функциональных возможностей устройства, в него введены четыре счетчика импульсов, блок вычитания частот, два дополнительных триггера, два ключа, конденсатор, резистор, три элемента И, элемент ИЛИ«НЕ, ждущий мультивибратор„ два дополнительных формирователя импу- 10 пьсов, потенциометр, причем первый выкод первого ключа через резистор подключен к первому выводу потенциометра, подвижный контакт которого подключен к второму входу второго блока сравнения ts напряжений, первые входы первого и второго блокоЫ сравнения напряжений подкяочены K второму выходу первого ключа, первому выходу второго ключа и первой обкладке «онденсатора, вторая обкладка которого, а также второй выход второго ключа и второй вывод потенциометра соединены с общей шиной, второй вход три гера пошииочен к первьм входам первого и второго дополнительных триггеров, к, выхоцу первого дополнительного формирователя импульсов и выходу сброс сум-" мирующего счетчика импульсов, выход которого подключен к второму входу второго дополнительного триггера, первые

30 выходы триггера и второго дополнительного триггера подключены соответствейно к первому и второму входам первого элемента И, выход которого подк)почен к первому входу элемента ИЛИ-НЕ, вторые выходы триггера и второго дополнитель35 ,ного триггера подключены соответственно к первому и второму входам второго элемента И и первым входам третьего и четвертого элементов И, выход второго элемента И подключен к второму входу эле40

79 12 мента ИЛИ-НЕ, выход которого подключен к входу второго дополнительного формирователя импульсов и к вторым входам третьего и четвертого элементов И, третьи входы которых обьединены, а выходы подключены соответственно к суммирующему и вычитаюшему входам первого счетчика импульсов, выход второго дополнительного формирователя импульсов под-, ключен к второму вхоцу первого дополнительного триггера и входу ждущего мультивибратора, выкод которого подключен к входу первого дополнительного формирователя импульсов, первый и второй выходы первого дополнительного триггера подключены соответственно к Входам первого и ВторОгО ключей, разрядные выходы первого счетчика импульсов подкюпочены к соответствующим входам второго счетчика импульс ов1 B ВыхОд подключен к первому входу блока вычитания частот и счетному входу третьего счетчика импульсов, выход которого подключен к счетному вхоцу четвертого счетчика им-. пульсов, группа входов которого подключена к разрядным Выходам суммирующего счетчика импульсов, а выход подключен ко второму входу блока вычитания частот, выход которого подключен к счетному входу суммирующего счетчика имПУЛЬС ОВе

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1. Ьц(о ц -t0-otifita4 con eries

reach С ПВW feygg, Of aCCur

2. Патент Великобритании № 1345775, ЯКИ G 4 Н за 1970 (прототи п) .