Способ аналого-цифрового преобразования и устройство для его осуществления

 

ОПИCAHÈÅ

ИЗОБРЕТЕНИЯ

Союз Советск ил

Соцнапнстическня

Респубики

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

{6l ) Дополнительное к авт. саид-ву— (22)Заявлено 25.08.80 (21) 2978723/18-21 с присоединением заявки И (51 } М. Кл.

Н 03 К 13/20 (23) П рноритет—

3ЬвудлрстааяяЫ1 кемятат

ФСТР де делам иаобретеяяй и отяаытиН (53) УЛК 681 ° 325 (088. 8) Опубликовано 23. 06. 82. Бюллетень М 23

Дата опубликования описания 23.06 82 (72) Авторы . изобретения

Е. Б. Грейз и А. И. Мехович

Центральное конструкторское бюро гидро приборостроения (71) Заявитель (5Ч СПОСОБ АНАЛОГО-ЦИФРОВОГО ПРЕОБРАЗОВАНИЯ

И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЯЕНИЯ

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в системах автоматического измерения, а также в качестве автономного прибора с автоматической цифровой коррекцией аддитивной и мультиплекативной погрешностей преобразования аналоговой величины в цифровой код.

Известен способ аналого-цифрового преобразования и аналого-цифровой преобразователь для его реализации.

Способ основан на формировании временных интервалов, пропорциональныхсумме измеряемого напряжения и эталонного напряжения U, U и величии не U, умноженной на коэффициент преобразования („, где R и Rg peКа 4" и. зисторы делителя напряжения заполнение этих временных интервалов импуль- zo сами эталднной частоты, количество которых равно соответственно 1, И и

N и формировании кодов, соответствующих разности N N> и И,1-И, по ве2 личине, пропорциональной отношению этих разностей судят о величине измеряемого напряжения.

Устройство для осуществления данного способа содержит источник измеряемого напряжения, источник эталонного напряжения, делитель напряжения, блок управления, ключи, усилитель, генератор пилообразного напряжения, нуль-орган, генератор заполняющих импульсов и три счетчика.

Преимущество способа и устройства заключается в том, что точность измерения определяется стабильностью одного источника эталонного напряжения U (l ).

Однако для исключения влияния на точность измерения нестабильности резисторов R и R< проводят дополнительно четвертое измерение. Таким образом, недостатком предлагаемого способа и устройства является низкое быстродействие.

938399

Известен аналого-цифровой преобразователь с цифровой коррекцией погрешностей.

Известный способ основан на преобразовании в частоту следования им- s

° пульсов измеряемого и двух эталонных напряжений с подсчетом импульсов частот за эталонное время. Время измерения по,известному способу формируют суммированием временных интервалов, <0 обратно пропорциональных коду разности количеств импульсов частот, пропорциональных первому и второму эталонным напряжениям, причем временные интервалы формируют по каждому импульсу частоты; пропор" циональной измеряемому напряжению с момента, когда количество импульсов этой частоты станет равно коду час тоты, пропорциональной первому эта- 20 лонному напряжению.

Устройство для осуществления известного способа содержит преобразователь напряжения-частота, вход которого через аналоговые ключи соединен с выходами источников двух эталонных и измеряемого напряжений, а выход - соединен с первыми входами первого, второго и третьего элементов И, при этом

30 вход сдвигающего регистра через де-. литель соединен с выходом генератора, а три его выхода — соединены с управляющими входами аналоговых ключей первого, второго и третьего элементов И,а выходы первого счетчика соединены с выходами первого и второго элементов И вход же второго счетчика соединеН с выходом первого элемента И, а выход - соединен с выходом первого триггера, причем входы четвертого элемента И соединены

0 с выходами третьего элемента И и первого триггера, вход первого двоичного умножителя соединен с выходом первого счетчика, а выход соединен с входом второго триггера, входы пятого элемен- та И соединены с выходами второго триггера и генератора, а выход соединен с входом третьего счетчика, входы второго триггера соединены с выходами четвертого элемента И и двоичного умножителя, другой вход которого соединен с выходом третьего счетчика, а выход первого триггера соединен с вторым входом четвертого элемента И(2).

Недостатками известных способа и устройства является невысокая точ" ность измерения, так как погрешность .результата зависит от нестабильности и первого и второго эталонных источников, Кроме того, эталонные источники должны иметь точную регулировку сохранения постоянного масштаба преобразования. А это не только усложняет конструкцию источника,, но и снижает стабильность эталонного напряжения, а следовательно, и точность измерения.

Цель изобретения - повышение точности без снижения быстродействия.

Поставленная цель достигается тем, что согласно способу аналого-цифрового преобразования, основанному на преобразовании в частоту следования импульсов первого эталонного напряжения и подсчете импульсов частот за эталонное время, преобразуют в частоту следования импульсов сумму первого и второго эталонных напряжений, затем сумму первого эталонного и измеряемого напряжений, а время измерения формируют суммированием временных интервалов, обратно пропорциональных коду разности количеств импульсов частот, пропорциональных сумме двух эталонных и первому эталонному напряжений, причем временные интервалы формируют по каждому импульсу частоты, пропорциональной сумме первого эталонного измеряемого напряжений, начиная с момента равенства количества импульсов этой частоты, коду частоты пропорциональной первому эталонному напряжению.

Устройство для осуществления способа, содержащее преобразователь напряжение-частота, вход которого через первый, второй и третий переключатели соединен соответственно с выходами первого и второго эталонных и измеряемого источников напряжений, а выход соединен с первыми входами первого, второго и третьего элементов И, вторые входы которых соединены с управляющими входами переключателей и с соответствующими выходами сдвигающего регистра, вход которого через делитель соединен с выходом генератора и с первым входом четвертого элемента И, второй вход которого соединен с единичным выходом первого триггера, нулевой вход которого соединен с выходом первого двоичного умножителя, первый и второй входы которого соединены соответственно с выходами первого и второго счетчиков, вычитающий и суммирующий входы по938399

Преобразование осуществляется следующим образом.

За первый такт (первое эталонное время) получают

Fq kU0 где F — код частоты, соответствую1 щий подключению первого эталонного источника, измеренной за эталонное время;

Š— начальная частота;

k — коэффициент, характеризующий крутизну преобразования;

U — напряжение первого эталоно ного источника.

Значения Ро и k все три такта измерения при достаточно малой длительности такта (эталонное время) практически не изменяются. Второй и третий такты измерения по длительности равны первому такту. Каждый такт длится эталонное время.

Поэтому F = F + k(U + U ) (2) k(U Uî) Р) где F -- код частоты,.соответствующий подключению последовательно включенных первого и второго эталонных источников напряжения (измерение на втором такте);

F — код частоты, соответствуюЭ щий подключению последовательно включенных измеряемому и первому эталонному на— пряжениям (измерение на третьем такте)

Иэ формул (2) и (1) следует

Результат измерения получают в момент окончания третьего такта, т. е. практически предлагаемый способ обеспечивает максимально возможное быстродействие для измерения напряжений интегрированием, т. е. подсчетом импульсов частот эа эталонное время, что значительно сокращает случайную составляющую ошибку.

1 ™м

Из выражений (3) и (1) следует

= Ux

3 (5) На чертеже показана функциональная схема предлагаемого устройства.

Устройство содержит источники 1 и

2 эталонных напряжений, источник 3 из-. меряемого напряжения, переключатели

4-6, сдвигающий регистр 7, генератор

8, делитель 9, преобразователь 10 напряжение-частота, элементы И 11-16, элемент ИЛИ 17, триггеры 18 и 19, счетчики 20-23, регистр установки 24, двоичные умножители 25 и 26.

Из формул (4) и (5) следует (б) F — F

Отсюда — (7) согласно способу, измеряемое напря-, следнего соединены соответственно с выходами первого и второго элементов

И, а нулевой выход второго триггера соединен с первым входом пятого элемента И, введены третий и четвертый 5 счетчики, второй двоичный умножитель, регистр установки, шестой элемент И и элемент ИЛИ, первый вход которого соединен через пятый элемент И с выходом третьего элемента И и единичным входом первого триггера, второй вход соединен с выходом шестого элемента И и через последовательно соеединенный третий счетчик, второй двоичный умножитель - с входом четверто- 1 го счетчика, а выход соединен с суммирующим входом второго счетчика, вычитающий вход которого соединен с выходом первого элемента И, а выход переноса - с единичным входом второ- 20

ro триггера, единичный выход которого соединен с первым входом шестого элемента И, второй вход которого соединен с выходом четвертого элемента

И, при этом выход регистра установки подключен к потенциальным входам второго двоичного умножителя, а входы источников второго эталонного и измеряемого напряжений подключены к выходу первого переключателя. 0

Измерение по предлагаемому способу позволяет исключить не только аддитивную и мультипликативную погрешность преобразования, но и погрешность, вызываемую отклонением напряжения перво- го эталонного источника от номинального значения.

9383 жение должно быть пропорционально времени измерения, т. е. (8) изм

=еТ где е = const — коэффициент пропорциональности. (9) 1в

Обозначим F — F = N э» 1

При этом отметим, что N ральное число.

Разобъем время измерения ных интервалов — натуна N рав15 (10) ния (8) (9) и (10) Поставим выр в Формулу (7) еже

25 1 е (F q» — F Т . Так как U = const и е = const то, иэ выражения (11) следует, что временные интервалы gkt, суммированием которых образуется время измерения, обратно пропорциональны коду разности количеств импульсов частот, пропорциональных сумме двух эталонных и

15 первому эталонному напряжению.

Таким образом, по предлагаемому способу результат измерения можно получить к моменту окончания третьего такта. Для этого достаточно выбрать величину коэффициента пропорциональности такой, чтобы временной интервал

1»t, сформированный по импульсу соответствующей частоты, заканчивался до постуйления следующего импульса этой частоты. Результат измерения по предлагаемому способу не зависит от значения напряжения первого эталонного источника, достаточно, чтобы это значение было постоянным все три такта из5О мерения.

Это позволяет не только повысить точность измерения, но и упростить устройство, работающее по предлагаемому способу.

Устройство работает следующим образом.

По команде "Начальная установка" (шины не показаны) триггер 19 уста= о+ Ъ, (12) где F — начальная частота преобразоо вателя 10;

k — крутизна характеристики преобразователя 10.

Эта частота через элемент И 11 поступает на вычитающие входы счетчиков 20 и 21, В течение первого такта измерения, длительность которого оп-. ределяется коэффициентом деления делителя 9. Прй переполнении этого делителя с его выхода поступает импульс на -тактирующий вход сдвигающего регистра 7. "1" из первого его разряда сдвигается в второй разряд (в первом разряде остается "0"), начинается второй такт измерения. Переключатель

4 подключает выход источника 1 к входам. источников 2 и 3, переключатель 5 подключает вход источника 2 к входу преобразователя 10. Частота на выходе преобразователя 10

F< = F + k (U + Ц,), (13) так как источники 1 и 2 оказались включенными последовательно. Эта частота Е поступает с выхода преобразователя 10 через элемент И 12 на

99 8 навливается в "0", подавая запрет на элемент И 15 и разрешение на элемент

И 14. В первую ячейку регистра. 7 записывается "1", в остальных двух ячейках этого регистра записывается ! I 0» 1

Счетчики 20-23 устанавливаются в состояние "0". В регистр 24 устанавливается число, пропорциональное зна-, чению U, причем коэффициент пропорN циональности для напряжения Бу,равен коэффициенту пропорциональности для напряжения U1t и пропорционального ему числа в счетчике 23.

Снятие команды "Начальная установка" является моментом начала измерения. Так как на переключатель 4 с первой ячейки сдвигающего регистра. 7 подан сигнал "1", а на переключатели 5 и б с выходов второй и третьей ячейки регистра 7 поданы сигналы "0", то переключатели 5 и 6 .отсоединяют источники 2 и 3 от,входа преобразова" теля напряжение — частота 10, а переключатель 4 соедйняет выход источника 1 с входом преобразователя 1 О.

Частота на выходе преобразователя

Fo k(Uo % } (14) (15) (16) В 2.о

2е Е (17) 9 9383 суммирующий вход счетчика 20 в тече . ние второго такта, который заканчивается по импульсу с выхода делителя 9 поступающему на тактирующий вход сдвигающего регистра 7, поэтому "1" из его второго разряда сдвигается в третий разряд. Зто момент начала третьего такта измерения. Переключатель 5 отключает выход источника 2 от входа преобразователя 10, à переключатель 6 подключает -источник 3 измеряемого напряжения к входу пре" образователя 1О. Частота на выходе преобразователя 10 так как источники 1 и 3 включены последовательно. Зто частота поступает через элемент И 13 на вход элемента И 14 и на вход установки в "1" триггера 18 в течение третьего такта измерения, до поступления импульса переполнения с выхода делителя 9 на сдвигающий вход регистра 7.

Обозначим длительность каждого такта через Т = const.

Тогда число импульсов с выхода преобразователя 10 за первый, второй, о третий такт равны соответственно

И! =Т ° Г

Nz = Т Р

Т 3В счетчике 20 записано число

В счетчик 21 на первом такте поступает N импульсов, на вычитающий вход.

На третьем такте по каждому импульсу

15 с выхода элемента И 13 триггер 18 устанавливается в состояние !", разрешая прохождение импульсов с генератора 8 через элемент И 16, на вход элемента И 15. На другам входе элемента И 15 с начала третьего такта сиго нал запрета, так как триггер 19 по начальной установке-находится в состоянии "О". В начале третьего такта, как уже указывалось выше, импульсы с выхода преобразователя 10 через элемент И 13 поступают на вход элемента

И 14, на другом входе элемента И 14 разрешение с инверсного плеча тригге99 10 ра 19. Импульсы с выхода элемента

И 14 через элемент ИЛИ 17 поступают. на суммирующий вход счетчика 21. Как только количество этих импульсов станет равно N 1 (именно столько импульсов поступило на вычитающий вход счетчика 21 на первом такте) сигнал обнуления с выхода счетчика 21 поступает на вход триггера 19, устанавливая триггер 19 в состояние "1". С инверсного плеча этого триггера на вход элемента И 14 поступает теперь сигнал запрета, тем самым прекращается поступление импульсов на суммирующий вход счетчика 21 с выхода элемента

И 14, а на вход элемента И 15 поступает сигнал разрешения, и. импульсы с выхода генератора 8 через элементы .И 16, И 15 элемента ИЛИ 17 поступа ют на суммирующий вход счетчика 21, "который в рассматриваемый момент (установки триггера 19 в н!") обнулен. Так как выходы счетчика 2! соединены с входами двоичного умножител 25, то заполнение импульсами генератора счетчика 21 вызывает появление импульса на выходе двоичного умножителя 25. Зтот импульс установит триггер 18 в состояние "0", тем самым запрещается прохождение импульсов генератора через элемент 16 соответственно с выхода элемента И 15 на вход счетчика 22 поступление импуль"

cos прекращается. При поступлении следующего импульса с выхода элемента 13 триггер 18 вновь устанавливает.ся в "!", импульсы генератора 8 проходят через элементы И !6, И 15, ИЛИ 17, на суммирующий вход счетчика

21 — до появления импульса на выходе двоичного умнажителя 25, устанавливающего триггер 18 в "0".

Процесс повторяется по каждому импульсу с выхода преобразователя !

0. Определим длительность временного интервала, в течение которого триггера 18 находятся в состоянии "0".

При заполнении счетчика 2! частотой генератора 8 (обозначим ее F!!, при" чем F.g = const) частота на выходе двоичного умнажителя 25 где -Е -- емкость счетчиков 20 и 21.

99

Формула изобретения (22) 11 9383

Учитывая выражени (15) (16) получим — — — ("д — F )-(18) Длительность пребывания триггера

18 в состоянии "1"

1 Е 1 в г, т г -

Таким образом, временной интервал, формируемый триггером 18 обратно пропорционален коду разности количеств импульсов частот, пропорциональных сумме двух эталонных и первому эталонному напряжению. Эти временные интервалы формируются по каждому импульсу частоты F>, пропорциональной сумме первого эталонного и измеряемого напряжений с момента, когда количество импульсов этой частоты станет равно

М„, т. е. коду частоты пропорциональной первому эталонному напряжению.

В течение каждого интервала 1 на вход счетчика 22 с выхода элемента И 15 поступают импульсы с частотой F0 . Пусть в регистре 24 установ-лено по начальной установке некоторое число Ngq. Тогда число в счетчике результата 23 36

И ° И

4исло в счетчике 22 получается суммированием временных интервалов t т е. 1 хх =Fe Z "И в)яу

n Fy-Ь

3, tqQgg тогда И

2.Ú

Если выполнить счетчики 20-22, одинаковой емкости Е, то подставляя в формулу (21) значение t из выражения (19), получаем

24 т т

Подставив в это выражение значения из формул (12), (13), (14) получаем

Х4

N = — ° U

ХЪ U М

Таким образом, в счетчике 23 зафиксировано число Ngq, прямопропорциональное измеряемому напряжению.

Следует обратить внимание на коэффициент пропорциональности выражения (22), в котором U = const., а значение N можно устанавливать произвольно. Это дает возможность изменять коэффициент пропорциональности между числом в счетчике результата и измеряемым напряжением только установкой соответствующего значения N, .

Таким образом, результат не зависит от погрешности установки первого эталонного источника, т. е. достаточно, чтобы три такта измерения напряжения этого источника было постоянным.

Кроме того, источник второго эталонного напряжения U, можно выполнять без тонкой регулировки, например, в аиде цепочки последовательно включенHblx стабилитронов, а точность соотношения (22) обеспечить подбором коэффициента Иу. Это не только позволяет сделать напряжение второго эталонного источника более стабильным, но и значительно упрощает изготовление и эксплуатацию устройства.

1. -Способ аналого-цифрового преобразования, основанный на преобразовании в частоту следования импульсов первого эталонного напряжения и подсчета импульсов частот за эталонное время, о т л и ч а ю щ и " с я тем, что, с целью повышения точности, после преобразования в частоту следования импульсов первого эталонного напряжения преобразуют в частоту следования импульсов сумму первого и второго эталонных напряжений, затем сумму первого эталонного и измеряемого напряжений, а время измерения формируют суммированием временных интервалов, обратно пропорциональных коду разности количеств импульсов частот, пропорциональных сумме двух эталонных и первому эталонному напряжений, причем. временные интервалы формируют по каждому импульсу частоты, пропорциональной сумме первого эталонного измеряемого напряжений, начиная с момента равенства количества импульсов этой частоты коду частоты, пропорциональной первому эталонному напряжению.

2. Устройство для осуществления способа по и. 1, содержащее преобра"

9383 зователь напряжение-частота, вход которого через первый, второй и третий переключатели соединен соответствен" но с выходами первого и второго эталонных и измеряемого источников напряжений, а выход соединен с первыми входами первого, второго и третьего элементов И, вторые входы:которых соединены с управляющими входами переключателей и с соответствующими выходами сдвигающего регистра, вход которого через делитель соединен с выходом генератора и с первым входом четвертого элемента И, второй вход которого соединен с единичным выходом первого триггера, нулевой вход которого соединен с выходом первого двоичного умножителя, первый и второй входы которого соединены соответственно с выходами первого и второго счетчиков, вычитающий и суммирующий входы последнего соединены соответственно с выходами первого и второго элементов И, а нулевой выход второго триггера соединен с первым входом пя- того элемента И, о т л и ч а ющ е е е я тем, что в него введены третий и четвертый счетчики, второй двоичный умножитель, регистр установки, шестой элемент И и элемент ИЛИ, ЗВ

99 14 первый вход которого соединен через пятый элемент И с выходом третьего элемента И и единичным входом первого триггера, второй вход соединен с выходом шестого элемента И и через последовательно соединенный третий счетчик, второй двоичный умножитель . с входом четвертого счетчика, в выход соединен с суммирующим входом второго счетчика, вычитающий вход которого соединен с выходом первого элемента И, а выход переноса - с единичным входом второго триггера, единичный выход которого соединен с первым входом шестого элемента И, второй вход которого соединен с выходом четвертого элемента И, при этом выход регистра установки подключен к потенциальным входам второго двоичного умножителя, а входы источников второго эталонного и измеряемого напряжений подключены к выходу первого переключателя.

Источники информации, принятые вс внимание при экспертизе

l. Бромберг Э. И. и др. Тестовые методы повышения точности измерений.

И., "Энергия", 1978, с. 121-125.

2. Авторское свидетельство СССР

11 788374, кл. Н 03 K 13/20, 07.07 78.

938399

Составитель Л. Беляева

Техред К.Мыцьо

Корректор М. Шароши

Редактор Г. Ус

Заказ 4480/79

Тираж 959 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Филиал ППП "Патент", г. Ужгород, ул. Проектная, 4