Главная страница  |  Описание сайта  |  Контакты
АНАЛОГО-ЦИФРОВОЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ
АНАЛОГО-ЦИФРОВОЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ

АНАЛОГО-ЦИФРОВОЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ

Патент Российской Федерации
Суть изобретения: Изобретение относится к импульсной технике, в частности к преобразователям напряжения в цифровой код с промежуточным преобразованием напряжения в частоту импульсов, и может быть использовано в устройствах сбора аналоговой информации систем контроля и управления, выполняемых на средствах вычислительной техники. Недостатком известного и близкого по технической сущности и решаемой задаче аналого-цифрового преобразователя (АЦП) является то, что в нем изменение входного сигнала за время получения поправок к результату преобразования приводит к дополнительным погрешностям. Целью изобретения является повышение точности преобразователя за счет исключения влияния на результат преобразования этих погрешностей. АЦП содержит преобразователь напряжения в частоту с входным переключателем, счетчики, регистры, аналоговые сумматор и вычитатель, распределитель и формирователь импульсов, логические элементы И, ИЛИ и инвертор, одновибраторы. Новым является введение дополнительного счетчика, коммутатора кодов, управляемого напряжением генератора и элемента ИЛИ, благодаря которым в АЦП влияние на результат преобразования изменения входного сигнала во время получения поправок к результату преобразования исключено и тем самым повышена точность его работы. 2 ил.
Поиск по сайту

1. С помощью поисковых систем

   С помощью Google:    

   С помощью Яндекс:  

2. Экспресс-поиск по номеру патента


введите номер патента (7 цифр)

3. По номеру патента и году публикации

2000000 ... 2099999   (1994-1997 гг.)

2100000 ... 2199999   (1997-2003 гг.)
Номер патента: 2012132
Класс(ы) патента: H03M1/60
Номер заявки: 4950627/24
Дата подачи заявки: 27.06.1991
Дата публикации: 30.04.1994
Заявитель(и): Научно-производственное предприятие "Всероссийский научно- исследовательский институт электромеханики с заводом"
Автор(ы): Лукьянов Л.М.
Патентообладатель(и): Научно-производственное предприятие "Всероссийский научно- исследовательский институт электромеханики с заводом"
Описание изобретения: Изобретение относится к импульсной технике, в частности к преобразователям напряжения в цифровой код с промежуточным преобразованием в частоту импульсов.
Известны аналого-цифровые преобразователи (АЦП), которые содержат преобразователь напряжения в частоту импульсов (ПНЧ), переключатель, счетчики, генератор импульсов, триггеры и логические элементы, а также аналоговые вычитатель и ключ [1] .
В этих АЦП путем использования режима компенсации устраняется влияние изменения коэффициента преобразования ПНЧ на результат преобразования. Но для этого требуются дополнительные затраты времени Тдпо окончании времени измерения. В известном АЦП Тд существенно уменьшены, Тд полностью исключены в АЦП, в котором также выполняется режим компенсации [2] . Этот АЦП принят в качестве прототипа и содержит ПНЧ, вход которого соединен с выходом переключателя, первый и второй входы которого соединены соответственно с выходами аналоговых сумматора и вычитателя, у которых первые и вторые входы объединены и соответственно являются входными шинами преобразуемого и опорного напряжений, при этом выход ПНЧ соединен с первым входом синхронизатора и со счетным входом первого триггера, выход "1" которого соединен с входом управления переключателя и с первым входом первого элемента И, выход "0" - с первым входом второго элемента И, причем выходы первого и второго элементов И подсоединены соответственно к входам "1" и "0" второго триггера, а их вторые входы - к выходу синхронизатора, второй вход которого соединен с выходом генератора импульсов, с первыми входами третьего и четвертого элементов И и со счетным входом первого счетчика, выход переполнения которого подсоединен к входу "1" третьего триггера, выходы "1" и "0" которого подсоединены к первым входам соответственно пятого и шестого элементов И, вторые входы которых объединены, а выход первого подсоединен к входу первого одновибратора, выход которого соединен с первым входом седьмого элемента И, выходы "1" и "0" второго триггера подсоединены соответственно к первому входу первого элемента ИЛИ и к входу управления вычитанием второго счетчика, счетный вход которого соединен с выходом третьего элемента И, а выходы разрядов - к остальным входам первого элемента ИЛИ, выход которого соединен с вторым входом третьего элемента И и через логический инвертор - с вторым входом четвертого элемента И, первый регистр, выходы разрядов которого являются выходной шиной результата преобразования, входы разрядов соединены с выходами старших разрядов третьего счетчика, вход записи кода через формирователь импульсов - с входом установки "0" последнего и с первым входом второго элемента ИЛИ, причем входы младших разрядов третьего счетчика подсоединены к выходам восьмых элементов И, первые входы которых соединены с первыми выходами распределителя импульсов, вход которого соединен с выходом второго элемента ИЛИ, второй регистр, входы разрядов которого соединены с выходами соответствующих разрядов четвертого счетчика, второй одновибратор и третий элемент ИЛИ, выход которого подсоединен к входу управления вычитанием третьего счетчика, первый вход - к выходу седьмого элемента И, второй вход - к выходу девятого элемента И, первый вход которого соединен с выходом "0" второго триггера, второй вход - с выходом "0" третьего одновибратора, с выходной шиной готовности результата преобразования и с входом "0" третьего триггера, вход "1" которого соединен через второй одновибратор с входом записи кода второго регистра, причем выход "1" третьего одновибратора соединен с первым входом десятого элемента И, второй вход которого соединен с выходом "0" первого одновибратора, третий вход - с выходом генератора импульсов, а выход - со счетным входом четвертого счетчика, вход установки "0" которого подсоединен к выходу шестого элемента И, а выходы разрядов - к первым входам постоянного запоминающего устройства, вторые входы которого соединены с выходами разрядов второго регистра, выходы - с вторыми входами восьмых элементов И, а вход записи кода - с вторым входом второго элемента ИЛИ, с входом первого одновибратора, выход "1" которого соединен с входом третьего одновибратора и с входом формирователя импульсов, вторые входы шестого и седьмого элементов И соединены соответственно с выходом синхронизатора и с выходом "1" второго триггера.
В этом АЦП последовательно выполняются отдельные такты tiпреобразования, на результат каждого из которых не оказывает влияние изменение коэффициента Кп преобразования ПНЧ, а суммирование результатов этих тактов за цикл То позволяет получить окончательный результат преобразования Uk(t) в код и не терять дополнительные временные затраты, присущие аналогам. Исключение этих дополнительных затрат времени позволяет выполнять непрерывно интегрирование Ux(t) без пропусков временных интервалов между циклами То, с окончанием каждого из которых получается новый результат преобразования.
В каждом такте ti работы ПНЧ сначала преобразуется в частоту напряжение Uс, полученное от суммирования входного Ux(t) и опорного Uонапряжений, а затем формируется частота от преобразования напряжения Uв, получаемого от их вычитания. Длительность ti равна сумме периодов этих двух частот. Все эти операции используются в заявляемом АЦП.
В связи с тем, что моменты начала и окончания То и ti не могут возникать синхронно, то в результате преобразования могут иметь место дополнительные погрешности, которые уменьшаются в АЦП с помощью дополнительных средств. Благодаря этим средствам выполняется формирование поправок nн и nк, которые соответствуют интегралам от Ux(t) за временные интервалы tн - от начала очередного цикла работы АЦП до первого такта ti и tк - от последнего такта ti в То до окончания времени измерения в данном цикле.
Но прототип имеет недостаток, который состоит в том, что формирование поправок nн и nк выполняется на основе измерения средних значений преобразуемого напряжения Ux(t) как за интервалы времени tc и tв, так и за интервалы времени tп тактов, в течение которых начинается, а затем и заканчивается цикл То. Это приводит к тому, что изменение Ux(t) за время tп приводит к дополнительным погрешностям как в величинах формируемых поправок, так и в частных результатах за tп, которые суммируются с окончательным результатом преобразования в начале и в конце То каждого цикла работы АЦП. Этот недостаток не позволяет использовать данный АЦП в преобразователях с входным коммутатором, в которых с каждым циклом То могут подключаться от различных каналов входные напряжения, имеющие самые различные значения. В этом случае использование средних значений за время tп для формирования поправок nни nк приводит к значительным погрешностям и к уменьшению точности работы АЦП.
Поэтому стоит техническая задача исключить эти дополнительные погрешности при формировании поправок, получаемых за времена tп, и благодаря этому повысить точностные характеристики АЦП.
На решение этой задачи направлено данное предложение, целью которого является повышение точности АЦП.
Цель достигается тем, что в АЦП, содержащий ПНЧ, вход которого соединен с выходом переключателя, первый и второй входы которого соединены соответственно с выходами аналоговых сумматора и вычитателя, у которых первые и вторые входы объединены и соответственно являются входными шинами преобразуемого и опорного напряжений, при этом выход ПНЧ соединен с первым входом синхронизатора и со счетным входом первого триггера, выход "1" которого соединен с входом управления переключателя и с первым входом первого элемента И, выход "0" - с первым входом второго элемента И, выходы первого и второго элементов И подсоединены соответственно к входам "1" и "0" второго триггера, а их вторые входы - к выходу синхронизатора, второй вход которого соединен с выходом генератора импульсов, с первыми входами третьего и четвертого элементов И и со счетным входом первого счетчика, выход переполнения которого подсоединен к входу "1" третьего триггера, выходы "1" и "0" которого подсоединены к первым входам соответственно пятого и шестого элементов И, вторые входы которых объединены, а выход первого подсоединен к входу первого одновибратора, выход которого соединен с первым входом седьмого элемента И, выходы "1" и "0" второго триггера подсоединены соответственно к первому входу первого элемента ИЛИ и к входу управления вычитанием второго счетчика, счетный вход которого соединен с выходом третьего элемента И, а выходы разрядов - к остальным входам первого элемента ИЛИ, выход которого соединен с вторым входом третьего элемента И и через логический инвертор с вторым входом четвертого элемента И, первый регистр, выходы разрядов которого являются выходной шиной результата преобразования, входы разрядов соединены с выходами старших разрядов третьего счетчика, вход записи кода через формирователь импульсов - с входом установки "0" последнего и с первым входом второго элемента ИЛИ, причем входы младших разрядов третьего счетчика подсоединены к выходам восьмых элементов И, первые входы которых соединены с первыми выходами распределителя импульсов, вход которого соединен с выходом второго элемента ИЛИ, второй регистр, входы разрядов которого соединены с выходами соответствующих разрядов четвертого счетчика, второй одновибратор и третий элемент ИЛИ, введены управляемый напряжением генератор импульсов, пятый счетчик, коммутатор кодов и четвертый элемент ИЛИ, выход которого соединен с входом записи кода второго регистра, первый вход - с первым входом третьего элемента ИЛИ и с входом "1" третьего триггера, второй вход - с входом "0" последнего, с входом формирователя импульсов и с выходом седьмого элемента И, второй вход которого подсоединен к выходу "1" третьего триггера и к выходной шине готовности результата преобразования, третий вход - к последнему выходу распределителя импульсов и к входу установки "0" пятого счетчика, счетный вход которого соединен с выходом четвертого элемента И, а выходы разрядов - с первыми входами коммутатора кодов, вторые входы которого подсоединены к выходам разрядов второго регистра, выходы - к вторым входам соответствующих восьмых элементов И, а выход управления - к выходу первого одновибратора и к второму входу третьего элемента ИЛИ, третий вход которого подсоединен к выходу шестого элемента И, второй вход которого соединен с выходом первого элемента И и с вторым входом второго элемента ИЛИ, при этом выход третьего элемента ИЛИ подсоединен через второй одновибратор к входу установки "0" четвертого счетчика и объединен с первым входом управляемого напряжением генератора импульсов, выход которого соединен со счетным входом последнего, а второй и третий входы - с первым и вторым входами вычитателя.
В результате поиска и анализа известных технических решений не были обнаружены решения, которые имеют признаки, сходные с отличительными признаками заявляемого решения.
В предлагаемом техническом решении цель достигается благодаря непосредственному получению величин ηн и ηк , соответствующих интегралам от Ux(t), за временные интервалы, во-первых, tн от начала очередного цикла То до первого такта ti его работы и, во-вторых, tк от окончания последнего такта ti до окончания То. При этом промежуточные результаты интегрирования за время tп тактов в начале и в конце цикла Тоне используются для суммирования при формировании окончательного результата преобразования. Это исключает рассмотренные выше погрешности прототипа, так как в окончательный результат входят значения ηн и ηк, соответствующие интегралам Ux(t) за временные интервалы tк и tн, и изменение Ux(t) не вызывает дополнительных погрешностей, присущих прототипу.
На фиг. 1 приведена блок-схема предлагаемого АЦП; на фиг. 2 - временная диаграмма его работы, где 1 и 2 - шины преобразуемого и опорного напряжений, 3 и 4 - шины результата преобразования и сигнала его готовности, 5 - ПНЧ, 6 - аналоговый переключатель, у которого сигнал на управляющем входе обеспечивает закорачивание первого входа с выходом, а при его отсутствии закорочен второй вход и выход, 7 и 8 - аналоговые сумматор и вычитатель, 9 - управляемый напряжением генератор импульсов, 10 - синхронизатор, 11-15 - с первого по пятый счетчики, 16 и 17 - первый и второй регистры, 18 - распределитель импульсов, 19 - коммутатор кодов, у которого отсутствие сигнала на управляющем входе обеспечивает передачу сигналов с первых входов на выходы, а при его наличии - с вторых входов на выходы, 20 - генератор импульсов, 21-23 - с первого по третий триггеры, 24 и 25 - первый и второй одновибраторы, 26 - логический инвертор, 27 - формирователь импульсов, 28-34 - с первого по седьмой элементы И, 35 - группа восьмых элементов И, 36-39 - с первого по четвертый элементы ИЛИ, 40 - импульс переполнения счетчика 11, 41 и 42 - импульсы ПНЧ 5 и синхронизатора 10, 43 и 44 - сигналы на выходах "1" и "0" триггера 22, 45 и 46 - сигналы на выходах элемента ИЛИ 36 и инвертора 26, 47 - сигнал на выходе "1" триггера 23, 48 и 49 - импульсы на выходе элемента И 28 и на последнем выходе распределителя 18, 50, 51 и 52 - импульсы на выходах элементов И 32, ИЛИ 37 и 39, 53 - сигнал одновибратора 24, 54 - временные интервалы работы распределителя 18, 55 и 56 - импульсы на выходах элементов ИЛИ 38 и И 34.
Шина 1 соединена с первыми входами сумматора 7 и вычитателя 8 и с вторым входом генератора 9, шина 2 - соответственно с их вторыми и третьими входами, шина 3 - с выходами разрядов регистра 16, шина 4 - с выходом "1" триггера 23, с первым и вторым входами элементов И 32 и 34. Первый вход последнего подсоединен к выходу одновибратора 24, к второму входу элемента ИЛИ 38 и к входу управления коммутатора 19, третий вход - к выходу распределителя 18 и к входу установки "0" счетчика 15, а выход - к второму входу элемента ИЛИ 39, к входу записи регистра 16, к входу установки "0" счетчика 13 и к первому входу элемента ИЛИ 37 через формирователь 27 и к входу "0" триггера 23, выход "0" которого соединен с первым входом элемента И 33, а вход "1" - с первыми входами элементов ИЛИ 38 и 39 и с выходом переполнения счетчика 11. Счетный вход счетчика 11 подсоединен к выходу генератора 20, к первым входам элементов И 30 и 31 и к второму входу синхронизатора 10, первый вход которого соединен со счетным входом триггера 21 и с выходом ПНЧ 5, а выход - с вторыми входами элементов И 28 и 29. Первые входы последних подсоединены к выходам "1" и "0" триггера 21, первый из которых объединен с входом управления переключателя 6, а выходы - к входам "1" и "0" триггера 22, первый из которых соединен с вторыми входами элементов И 32 и 33 и ИЛИ 37. Выход элемента ИЛИ 37 подсоединен к входу распределителя 18, выходы разрядов которого соединены с первыми входами элементов И 35. Выходы элементов И 35 подсоединены к входам младших разрядов счетчика 13, выходы старших разрядов которого соединены с входами разрядов регистра 16. Вторые входы элементов И 35 соединены с выходами коммутатора 19, первые и вторые входы которого подсоединены соответственно к выходам разрядов счетчика 15 и регистра 17. Вход записи регистра 17 соединен с выходом элемента ИЛИ 39, а входы разрядов - с выходами разрядов счетчика 14, счетный вход которого подсоединен к выходу генератора 9, вход установки "0" через одновибратор 25 - к первому входу последнего и к выходу элемента ИЛИ 38. Третий вход элемента ИЛИ 38 соединен с выходом элемента И 33, выход элемента И 32 подсоединен к входу одновибратора 24. Счетный вход счетчика 15 соединен с выходом элемента И 31, второй вход которого подсоединен через инвертор 26 к второму входу элемента И 30 и к выходу элемента ИЛИ 36. Входы элемента ИЛИ 36 соединены с выходом "1" триггера 22 и с выходами разрядов счетчика 12, счетный вход и вход управления режимом вычитания которого соединены с выходом элемента И 30 и с выходом "0" триггера 22. Выходы сумматора и вычитателя подсоединены к первому и второму входам переключателя, выход которого соединен с входом ПНЧ 5.
АЦП работает следующим образом.
Как и в прототипе, преобразуемое напряжение Ux(t) суммируется с опорным напряжением Uо в сумматоре 7 и вычитается из него в вычитателе 8, на выходе которых получаются напряжения Uc = Uo + Ux(t) и Uв= Uo - Ux(t). Эти напряжения с помощью переключателя 6 подключаются на вход ПНЧ 5, выходные импульсы 41 которого поступают на счетный вход триггера 21, а его выходной сигнал управляет работой переключателя 6. Благодаря этому выполняется поочередное преобразование Uс и Uв в частоты fc = Kп Uc и fв= Кп Uв. Каждое преобразование Uс или Uв проходит в течение одного периода этих частот: tc = 1/fc и tв = 1/fв, и длительность такта работы АЦП равна ti = tc + tв.
Если в ПНЧ 5 выполняется интегрирование преобразуемого напряжения и начало ti происходит в моменты времени Т, то величины получаемых частот равны
fc= K(tc)= Kп[Uo+(tc)] и
fВ= K(tВ)= Kп[Uo-(tВ)] , где (tc), (tв), (tc) и (tв) - средние значения напряжений за время, указанное в скобках, т. е.
(tс)= Ux(t)dt и (tв)= Ux(t)dt.
Для каждого такта ti можно эти уравнения записать в виде
Kп[Uo+(tc)] tc= 1 и Kп[Uo-(tВ)] tВ= 1 и определить величину временного интервала tpi = tв - tc:
Uo(tв-tc) = (tc)tc+(tв)tв или
Uo·tpi= Ux(t)dt+ Ux(t)dt= Ux(t)dt и
tpi= Ux(t)dt.
Величина tpi соответствует интегралу входного напряжения за время ti, и на нее не оказывает влияние коэффициент Кп преобразования ПНЧ 5.
Преобразование tpi в код npi и использование временных интервалов tс и tв осуществляется с помощью импульсов частоты f генератора 20; npi= tpi f. Эти импульсы используются также для формирования времени Тоизмерения Ux(t), что осуществляется с помощью счетчика 11, импульсы 40 переполнения которого возникают через временные интервалы To = No/f.
Так как импульсы 41 не имеют синхронизации с импульсами f, то при определении nр и в работе других узлов АЦП могут возникать погрешности и сбои в моменты взаимного перекрытия этих импульсов. Для исключения этого в АЦП имеется синхронизатор 10, выходные импульсы 42 которого всегда сдвинуты относительно импульсов f генератора 20.
Синхронизатор 10 может быть выполнен, например, как и в прототипе, на соединенных последовательно элементе И, одновибраторе, элементе ИЛИ и формирователе импульсов, выход которого является выходом синхронизатора, а его входами служат входы элемента И, из которых на один подаются импульсы f, а другой объединен с вторым входом элемента ИЛИ, и на него подаются импульсы 41 с выхода ПНЧ 5. При совпадении импульсов 41 и f элемент И запускает одновибратор, сигнал которого в элементе ИЛИ увеличивает длительность импульса 41, и по его заднему фронту запускается формирователь с выходными импульсами 42.
Импульсы 42 проходят через элемент И 28 или 29 в зависимости от состояния триггера 21 на входы триггера 22 и записывают в нем код, соответствующий временному интервалу tс при наличии сигнала Uс для интервала tв, когда преобразуется Uв.
Выходные сигналы 43 и 44 триггера 22, соответствующие интервалам tси tв, и импульс 48, устанавливающий его в "1", используются для управления работой других узлов АЦП.
Сигнал 43, проходя через элемент ИЛИ 36, разрешает работу элемента И 30, через который импульсы f поступают в счетчик 12, образуя в нем код nc = tc f. Когда сигнал 43 снимается, сигналы разрядов, в которых записан nс, проходят через элемент ИЛИ 36, образуя сигнал 45, который продолжает поддерживать работу элемента И 30. С появлением сигнала 44 в счетчике 12 включается режим вычитания и импульсы f в течение tвуменьшают код nс до нуля. Через время, равное tс, в счетчике 12 устанавливается код "0", сигнал 45 снимается и элемент И 30 закрывается. На выходе инвертора 26 возникает сигнал 46, длительность которого равна tpi = tв - tс, так как он снят с появлением новых сигналов 43 и далее сигнала 45.
Сигнал 46 разрешает работу элемента И 31, через который на счетчик 15 поступают импульсы f и формируют в нем код npi = tpif. Код npiпоступает на первые входы коммутатора 19, на управляющем входе которого сигнал 53 с выхода одновибратора 24 отсутствует, и это обеспечивает передачу кода npi на его выходы и на входы элементов И 35, подключенных к счетным входам младших разрядов счетчика 13.
В отличие от прототипа код npi в течение ti не суммируется в счетчике 13, накапливающем их сумму, так как он не используется в последнем такте tп работы АЦП, в котором заканчивается время Тоизмерения Ux(t). Суммирование npi выполняется по окончании ti. По импульсу 48, относящемуся к такту ti+1 и проходящему через элемент ИЛИ 37, запускается распределитель 18 импульсов, на выходах которого последовательно во времени появляются импульсы (пачка импульсов в течение сигнала 54). Эти импульсы проходят через те элементы И 35, которые на входах имеют сигналы "1" в разрядах кода npi, на счетные входы соответствующих разрядов счетчика 13. Благодаря этому выполняется поразрядное суммирование npi с кодом, находящимся в счетчике 13.
Импульс 49 с последнего выхода распределителя 18 после выполнения этого суммирования устанавливает "0" в счетчике 15. Это повторяется для каждого такта ti работы АЦП и в счетчике 13 за К тактов сформирован код
Nk= npi= ftpi= Ux(t)dt, где Тk - суммарное время выполнения k тактов ti.
Для получения окончательных результатов преобразования Ux(t) за каждый цикл То работы АЦП в код Nр, как и в прототипе, должны быть внесены поправки, учитывающие величины интегралов Ux(t) в течение последнего такта tп и относящиеся к текущему и последующему циклам работы АЦП. Это связано с тем, что окончание То и появление импульса 40 может произойти в любое время в течение такта tп через tк после последнего в То импульса 48 ti, а первый импульс 48 последнего цикла преобразования появляется через временной интервал tн между импульсами 40 и 48.
Временной интервал tк относится к текущему циклу работы АЦП, и по нему в прототипе формируется поправка nк к текущему результату Nт, а временной интервал tн уже относится к последующему циклу, и соответствующая ему поправка вводится в результат Nп этого цикла.
Поправки nк и nн в прототипе формируются расчетным путем на основе использования результатов получения средних значений Ux(t) в течение времени tп, что при изменении преобразуемого напряжения приводит к дополнительным погрешностям. В предлагаемом АЦП выполняется непосредственное получение этих интегралов с помощью генератора 9, управляемого напряжением Ux(t), и по его импульсам осуществляется формирование соответствующих поправок ηн и ηк , благодаря чему упомянутые погрешности прототипа исключаются.
В качестве генератора 9 может быть использован управляемый мультивибратор (см. например, Матряшин А. И. и др. Преобразователи электрических параметров для систем контроля и измерения. М. : Энергия, 1976, с. 107), который имеет предельную простоту схемы за счет того, что один транзистор совмещает функции зарядного устройства, ключа и устройства сравнения. Существенно лучшими точностными характеристиками обладает другая схема генератора (там же, рис. 2-31). В ней входной сигнал Uх подается на управляемый источник тока с включенным на его выходе интегрирующим конденсатором, напряжение которого с помощью устройства сравнения сравнивается с опорным напряжением, подаваемым на другой вход генератора. При срабатывании этого устройства его выходной импульс с помощью ключа разряжает конденсатор, после чего цикл их работы повторяется и на выходе формируются импульсы с частотой повторения
fу= = K (там же, с. 108, вторая формула сверху).
В этой формуле величина Uх представляет собой среднее значение Ux(tу) за время длительности одного цикла tу = 1/fу, и она получается в результате интегрирования Ux(t) за это время:
(tу)= Ux(t)dt.
Для одного цикла работы генератора его частота
fу1= (tу)
и можно записать
fу1·tу= (tу)tу= 1 или .
Поэтому путем подсчета числа импульсов fу за tк и tн можно получать значения ηн и ηк , соответствующие интегралам Ux(t) за эти интервалы времени:
ηк= tкfу= Ux(t)dt и
ηн= tн·fу= Ux(t)dt.
Упомянутая схема обладает важным свойством, состоящим в простоте синхронизации ее работы по внешним сигналам, которые при подаче на вход ключа разряжают конденсатор, поддерживают его в этом состоянии, а при их снятии работа генератора начинается с исходного состояния. Это свойство использовано в генераторе 9, у которого первый вход предназначен для сигналов синхронизации, а второй и третий - для Ux(t) и Uо. Формирование ηн и ηк выполняется с помощью счетчика 14, которые затем переписываются в регистр 17.
В связи с тем, что заранее неизвестно, в каком из ti тактов появится импульс 40 окончания очередного То, формирование ηквыполняется в каждом ti такте, начиная с импульсов 48. Эти импульсы проходят через элемент И 33, работа которого разрешена сигналом с выхода "0" триггера 23, и элемент ИЛИ 38 (импульсы 55) на вход синхронизации генератора 9 и запускают одновибратор 25, выходной импульс которого устанавливает "0" в счетчике 14, где начинается подсчет импульсов fу.
Если в течение ti импульса 40 не было, то в следующем такте ti+1вновь начинается подсчет импульсов fу. В последнем такте tп через время tк импульс 40 проходит через элемент ИЛИ 39, и по его импульсу 52 записывается полученный в счетчике 14 за это время код ηк в регистр 17. При этом импульс 40 предварительно установил через элемент ИЛИ 38 в исходное состояние генератор 9, а затем он с помощью одновибратора 25 установит в "0" счетчик 14.
Начиная с этого момента до появления импульса 48, в нем формируется код ηн по импульсам fу генератора 9, который выключается из работы с окончанием tп по сигналу 55, образованному сигналом 53 одновибратора 24. Последний запускается импульсом 50, прошедшим через элемент И 32, работа которого разрешена сигналом 47 с выхода "1" триггера 23, а он был установлен в это состояние сигналом 40.
В результате с окончанием времени tп в регистре 17 записан код ηк и в счетчике 14 получен код ηн. Первый из них используется для получения окончательного результата преобразования в выполненном текущем цикле Тоработы АЦП, а второй - для начала формирования результата преобразования в последующем цикле его работы.
В общем случае для каждого цикла То работы АЦП результат преобразования Nр формируется при суммировании следующих кодов: ηнр- кода, полученного за время tн в начале То, Nк - суммарного кода, полученного в течение времени Тк за к тактов ti, и eta<N>кр - кода, полученного за время tк в конце То.
Для каждого цикла работы АЦП справедливо равенство To = tн + Tк + tк, формируемым кодам соответствуют величины
ηнр= Ux(t)dt;
Nк= Ux(t)dt и
ηкр= Ux(t)dt.
В этих кодах нецелесообразно иметь одинаковые величины квантов по напряжению, которые соответствуют единицам их младших разрядов, и они выбираются, исходя из необходимости получения требуемой точности при их формировании. Поэтому суммирование этих кодов выполняется с различными весовыми коэффициентами. Если для Nк этот коэффициент принять равным единице, то для кодов ηнр и ηкр он может быть выбран равным Кв, т. е. запись этих кодов может выполняться в средние разряды счетчика 13, где формируется результат преобразования. В этом случае должно выполняться равенство коэффициентов при интегралах в выражениях для Nк и ηнр, ηкр, откуда получается зависимость Кв = t/Ку.
С учетом величин Кв, f= и То суммарный код
Nр= Kвηнр+Nk+Kв<η>кр= Ux(t)dt+ Ux(t)dt+
+ Ux(t)dt= Ux(t)dt=
= · Ux(t)dt= , где о) - среднее значение преобразуемого напряжения за То, равное
;
Δ - квант АЦП, равный Uo/No.
Величина Nр представляет собой результат преобразования среднего значения Ux(t) за время измерения То.
Суммирование кодов ηнр и ηкр в счетчике 13 выполняется по окончании последних тактов tп работы АЦП. В эти интервалы времени, как было описано ранее, действует сигнал 53, который выключает из работы генератор 9 и подключает в коммутаторе 19 на его выходы сигналы с вторых входов, соединенных с выходами разрядов регистра 17.
С окончанием tп импульс 51 запускает распределитель 18 импульсов, и в течение времени 54 будет выполнено, как и ранее для кодов npi, поразрядное суммирование кода ηкp с кодом счетчика 13, полученным за предыдущее время в То выполненного цикла работы АЦП, т. е. будет сформирован код Nр. После этого импульс 49 с последнего выхода распределителя 18 проходит через элемент И 34, работа которого разрешена сигналами 47 и 53, образует импульс 56. Этим импульсом код Хр старших разрядов счетчика 13 записывается в регистр 16 и запускается формирователь 27, импульс которого устанавливает в "0" счетчик 13 и запускает через элемент ИЛИ 37 распределитель 18 импульсов. Импульс 56, кроме того, устанавливает в "0" триггер 23 и, пройдя через элемент ИЛИ 39, записывает импульсом 52 код η нр из счетчика 14 в регистр 17. Благодаря повторной работе распределителя 18 этот код η нрбудет записан в счетчик 13 и с него начинается суммирование кодов в текущем цикле То работы АЦП, который заканчивается суммированием кода η кр и получением кодов Nр и Хр. Последний с выходов разрядов регистра 16 передается по шине 3, а о его готовности информирует снятие сигнала 47, который передается по шине 4.
Таким образом, в предлагаемом АЦП, как и в прототипе, результат преобразования получается с окончанием каждого цикла его работы, т. е. в нем выполняются соприкасающиеся во времени циклы измерения входного напряжения, что достигнуто благодаря учету при формировании результата преобразования за То интегралов от Ux(t) за временные интервалы tн и tк.
В отличие от прототипа, в котором это учитывается путем получения поправок nн и nк, формируемых на основе использования результатов измерения средних значений Ux(t) в течение tп, что вызывает дополнительные погрешности результата преобразования при изменении Ux(t), в предлагаемом АЦП вводятся поправки η н и η к, которые соответствуют непосредственно интегралам от Ux(t) за временные интервалы tн и tк, что исключает погрешности прототипа и допускает изменение Ux(t) в течение tп. Это позволяет изменять на входе АЦП преобразуемое напряжение в каждом цикле его работы и использовать его при работе с входным коммутатором.
Для прототипа в этом режиме работы АЦП наибольшие дополнительные погрешности возникают при максимальной разности переключаемых напряжений, например, при преобразовании наибольшего входного напряжения в текущем цикле работы и при нулевых уровнях напряжений в предыдущем и последующем циклах, а также при начале и окончании То соответственно в течение tс и tв, когда в результат преобразования входят величины nн, nки nрп, соответствующие средним значениям Ux(t) за временные интервалы tc, tв и tп. Поэтому эти величины имеют погрешности, которые могут достигать 50% от действующих значений Ux(t) при их изменении в середине этих временных интервалов, и они не соответствуют напряжению Ux(t), преобразуемому в текущем цикле работы АЦП.
Влияние этих погрешностей на окончательный результат преобразования зависит от состояния параметров, принятых в АЦП, и в том числе от принятого распределения погрешностей между формируемыми величинами Nк и nн, nк. В предлагаемом АЦП эти погрешности отсутствуют, а погрешности в η н и ηк не превышают единицы младшего разряда этих кодов.
Получение величин npi, η нр и η кр связано с квантованием временных интервалов, которое приводит к возникновению погрешностей, суммируемых при получении Nр. Поэтому временной квант работы АЦП, определяемый частотой f, и другие параметры АЦП должны выбираться из условия, чтобы суммарная погрешность в Nр не превышала одного кванта Δ р результата преобразования. Поэтому Δ р должен быть больше кванта Δ , приведенного в выражении для Nр, и в связи с этим в качестве результата преобразования Хр используются старшие разряды кода Nр.
Если в АЦП сохранить, как и в прототипе, следующие соотношения параметров: Uo = 2Um (Um - максимальная величина входного преобразуемого напряжения Uх) и To = Nm/fm (fm - максимальная частота работы ПНЧ), то при преобразовании Ux = Um имеют Uc = 3Um; Uв = Um и при tc = 1/fmвеличины tв = 3/fm; tp = 2/fm и ti = 4/fm, а при Ux = 0 tp= 0; tc = tв= 3/2fm и ti = 3/fm.
При различных уровнях Uх за один цикл То выполняется различное число K = To/ti тактов суммирования npi, которое изменяется от 1/3Nmдо 1/4Nm соответственно для Ux = 0 и Ux = Um.
В результат Np входит суммарная погрешность от выполнения этих К тактов при получении Nк, а также погрешности от двух поправок η нр и η кр.
В прототипе при анализе погрешностей использованы их временные эквиваленты: общая погрешность δ m/fm, которая распределяется между Nк и nн, nк как δк/fm и δ n/fmm = δ к + δ п; δ m < 1 и nm = 1/δ m > 1).
По величине δ к можно установить соотношение между f и fm, исходя из условия, что наибольшая погрешность при выполнении ti равна 2/f и при получении Nк выполнено K= 1/3˙ Nm суммирований npi = 2к/f ≅ δ к/fm, откуда
f= fm
По величине δ п при одинаковом ее распределении между ηн и ηкможно установить соотношение между частотой fm и fуm - максимальной частотой работы управляемого напряжением генератора при преобразовании Um, исходя из наибольшей погрешности, равной
1/f , откуда
f fm и
Kв= · (Kу= 2fуm).
С учетом f и δ m/fm наибольшая погрешность в Nр равна
δр= ·f= · ·Nm/nm и определяет Δ р и вес младшего разряда Хр в счетчике 13.
Емкости регистров и счетчиков для выполнения этих соотношений должны быть не менее для регистра 16 Nm nm, счетчиков 11 и 13 · , счетчика 15 · , счетчика 12 Nm/ δ к, счетчика 14 и регистра 17 8/δ п, при этом для последних вес их младших разрядов при суммировании ηн и ηк в счетчике 13 должен быть равен
.
Реализация предлагаемого АЦП с этими параметрами не вызывает каких-либо трудностей. Так, например, при сохранении количественных соотношений, приведенных в примере прототипа Nm = 103, nm = 8, То = 20 мс, fm = 50 кГц, f = 220 мГц, δ m = 0,25, δ к = 0,15 и δ п = 0,1.
В введенном управляемом напряжением генераторе максимальная частота работы должна быть fуm = 20 fm = 1 мГц, а погрешность не более δ п/8 = 1,25% . Поэтому он может быть выполнен на основе упомянутой выше простой схемы управляемого мультивибратора.
Необходимо отметить, что предлагаемое техническое решение позволяет осуществить дальнейшее повышение точности АЦП путем перераспределения величин Nm и nm, δ к и δ п. Это позволит снизить частоту работы ПНЧ и повысить его точность, но при этом в качестве управляемого напряжением генератора целесообразно использовать схему, которая обладает более высокой точностью по сравнению с управляемым мультивибратором. Все это показывает, что предложено техническое решение, которое решает поставленную перед ним задачу по устранению недостатка прототипа и по сравнению с ним достигнуто повышение точности работы АЦП.
Формула изобретения: АНАЛОГО-ЦИФРОВОЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ, содержащий преобразователь напряжения в частоту импульсов, вход которого соединен с выходом переключателя, первый и второй входы которого соединены соответственно с выходами аналоговых сумматора и вычитателя, первые и вторые входы которых попарно объединены и соответственно являются входными шинами преобразуемого и опорного напряжений, выход преобразователя напряжения в частоту импульсов соединен с первым входом синхронизатора и со счетным входом первого триггера, "1" выход которого соединен с входом управления переключателя и первым входом первого элемента И, "0" выход - с первым входом второго элемента И, выходы первого и второго элементов И подсоединены соответственно к "1" и "0" входам второго триггера, а их вторые входы - к выходу синхронизатора, второй вход которого соединен с выходом генератора импульсов и объединен с первыми входами третьего и четвертого элементов И и со счетным входом первого счетчика, выход переполнения которого подсоединен к "1" входу третьего триггера, "1" и "0" выходы которого подсоединены к первым входам соответственно пятого и шестого элементов И, вторые входы которых объединены, а выход первого подсоединен к входу первого одновибратора, выход которого соединен с первым входом седьмого элемента И, "1" и "0" выходы второго триггера подсоединены соответственно к первому входу первого элемента ИЛИ и входу управления вычитанием второго счетчика, счетный вход которого соединен с выходом третьего элемента И, а выходы разрядов подключены к остальным входам первого элемента ИЛИ, выход которого соединен с вторым входом третьего элемента И и через логический инвертор - с вторым входом четвертого элемента И, первый регистр, выходы разрядов которого являются выходной шиной результата преобразования, входы разрядов соединены с выходами старших разрядов третьего счетчика, вход записи кода через формирователь импульсов - с входом установки "0" третьего счетчика и первым входом второго элемента ИЛИ, входы младших разрядов третьего счетчика подсоединены к выходам восьмых элементов И, первые входы которых соединены с первыми выходами распределителя импульсов, вход которого соединен с выходом второго элемента ИЛИ, второй регистр, входы разрядов которого соединены с выходами соответствующих разрядов четвертого счетчика, второй одновибратор и третий элемент ИЛИ, отличающийся тем, что, с целью повышения точности, в него введены управляемый напряжением генератор импульсов, пятый счетчик, коммутатор кодов и четвертый элемент ИЛИ, выход которого соединен с входом записи кода второго регистра, первый вход объединен с первым входом третьего элемента ИЛИ и с "1" входом третьего триггера, второй вход - с "0" входом последнего, с входом формирователя импульсов и соединен с выходом седьмого элемента И, второй вход которого подключен к "1" выходу третьего триггера и является выходной шиной готовности результата преобразования, третий вход - к второму выходу распределителя импульсов и входу установки "0" пятого счетчика, счетный вход которого соединен с выходом четвертого элемента И, а выходы разрядов - с первыми входами коммутатора кодов, вторые входы которого подключены к выходам разрядов второго регистра, выходы - к вторым входам соответствующих восьмых элементов И, а вход управления - к выходу первого одновибратора и объединен с вторым входом третьего элемента ИЛИ, третий вход которого подключен к выходу шестого элемента И, второй вход которого соединен с выходом первого элемента И и объединен с вторым входом второго элемента ИЛИ, выход третьего элемента ИЛИ подключен через второй одновибратор к входу установки "0" четвертого счетчика и объединен с первым входом управляемого напряжением генератора импульсов, выход которого соединен со счетным входом четвертого счетчика, а второй и третий входы - с первым и вторым входами вычитателя.