SU1388987A1 - Аналого-цифровой преобразователь - Google Patents

Abstract

Изобретение относитс  к измерительной технике и может быть использовано дл  измерени  сопротивлений или их отношений, а также физических величин, преобра зуемых в электрические напр же1ш  с помощью датчиков сопротивлений . Изобретение позвол ет повысить помехоустойчивость, точ- . ность. Это достигаетс  тем, что в устройство, содержащее датчик 3 сигнала , интегратор 8, компаратор 9, преобразователь 10 временного интервала в код, регистр 11, накопительный элемент 12, выполненный на конденсаторе , блок управлени , выполненный на распределителе 1 импульсов, введены формирователь 2 переменного напр г жени , два накопительных элемента 13, 14, вьшолненных на конденсаторах, интегратор 5, блоки 6, 7 фиксации сигнала . 3 з.п. ф-лы, 5 ил.

Description

(Л

СО 00 00

со

00

(i/e.f

1-

Изобретение относитс  к измери- тельной технике и может быть исполь - Эовано дл  измерени  сопротивлений Или их отношений, а также физических величин, преобразуемых в электричес кие напр жени  с помощью датчиков сопротивлений .

Целью изобретени   вл етс  повыше йие помехоустойчивости, точности. ; На фиг.1 показана функциональна  ixeMa устройства; на фиг,2 и 3 - временные диаграммы работы преобразова тел  при питании датчика соответст- енно пр моугольным и гармоническим Напр жени миI на фиг.4 примеры вы - Аолнени  схемы формировател  перемен Його напр жени ; на фиг.5 времен - Йые диаграммы напр жений на входах и

Йьпсодах формировател  переменного на- 20 св зан с выходом счетчика и реги- Пр жени .

Устройство (фиг.1) содержит блок управлени , выполненными на распредв Жителе 1 импульсов, формирователь 2 1|1еременного напр жени , датчик 3 сиг- 25 регистра соединен с соответствующим

стра, информационный вход которого св зан с выходом ПЗУ, а вход синхро - низации с выходом генератора тактовых импульсов. Выход каждого разр да

йалов, аналоговый ком1чутатор 4, 1)ой интегратор 5, блоки 6 и 7 фикса- сигнала, первый интегратор 8, ijioMnapaTOp 9, преобразователь 10 вре 1 енного интервала в код,, регистр П, 1|сакопительные элементы , выпол енные на конденсаторах, блоки 6 и 7 (|1одержат входы 15 и 6, ключи 1720, Конденсаторы 21 и 22. Сочетание ключа 7(18) с конденсатором 21(22) образу- 4т элементарный блок фиксации сигна jjia.

Интегратор 8 содержит усилитель 23, конденсатор 24, резисторы 25 и 2б, повторитель 27 напр д сени .

Интегратор 5 устроен аналогично интегратору 8, но.не содержит повто - рител  напр жени , преобразователь 1C содержит элемент И и счетчик импуль - .cloB. Компаратор 9 имеет на выходе Триггер.

Формирователь 2 переменного напр -гйени  питани  датчика 3 содержит по фиг,1 трансформатор 28, транзисто ры 29, резисторы 30, источник 31 по сто нного напр жени , инвертор 32. Формирователь 2 по фиг.4 содержит трансформатор 33, кточн, состо щие из диодов 34, транзис1хэров 35, источ- иМк 36 посто нного напр жени , резис торы 37.

Датчик 3 по фиг. 1 содержит резис торы 38.

87

2

Датчик 3 по фиг.4 содержит вход- ные электроды 39, опор.ные электроды 40, нулевой электрод 4 и выходной электрод 42. Опорные электроды 40 соедин ютс  через блок 43 согласова- ни  -(трансформатор или парафазный усилитель) с входом второго фиксатора сигнала. Блок .43 согласовани  служит , дл  преобразовани  парафазного сиг- нала датчика в однофазный сигнал, а также дл  предварительного усилени  сигнала. Распределителем 1 может слу жить устройство микропрограммного уп- равлени , состо щее из генератора тактовых импульсов, счетчика, вход которого соединен с выходом генера тора, посто нного запоминающего ройства (ПЗУ), адресный вход которо

св зан с выходом счетчика и реги-

регистра соединен с соответствующим

стра, информационный вход которого св зан с выходом ПЗУ, а вход синхро - низации с выходом генератора тактовых импульсов. Выход каждого разр да

0

5

0

к

5

0

выходом выходной шины распределите- л  1. Последовательность сигналов на каждом выводе зтой шины определ ет- с  программой, хран щейс  в ПЗУ.

На временных диаграммах фиг.2 обо значены напр жени : 44 на входе формировател  2, на управл ющих вхо- дах ключей 19 и 20 в блоках 6 и 7 и на выходе преобразовател  10; 45 - на зтравл ющем входе аналогового ком- мутатора 4; 46 - на управл ющем вхо- де ключа 17 в блоках 6 и 7; 47 - на управл ющем входе ключа 18 в блоках 6 и 7; 48 на первом выходе датчика 3; 49 - на выходе аналогового коммутатора 4; 50 - на выходе интеграто- ра 5; 51 на выходе блока 6; 52 - на втором выходе датчика 3; 53 - на выходе блока 7; 54 - на выходе интег - ратора 8; 55 - на выходе компаратора 9.

На временных диаграммах фиг.З обозначены напр жени ; 56 - на входе формировател  2; 57 - на управл ющих входах ключей 19 и 20 блоков 6 и 7 и на входе преобразовател  10; 58 - на управл ющем входе ключа 17 в блоке 6; 59 - на управл ющем входе ключа 18 в блоке 6; 60 - на управл ющем входе ключа 17 в блоке 7; 61 - на управл ющем входе ключа 18 в блоке 7; 62 - на первом выходе датчика 3 и входе интегратора 5; 63 - на выходе интегратора 5; 64 - на выходе бло

ка 6; 65 на втором выходе датчика 3; 66 - на выходе блока 7; 67 - на выходе интегратора 8.

На временньк диаграммах фиг.4 обозначены напр жени : 68 на выходе трансформатора 33; 69 - 72 на базах транзисторов 35; 73-76 на ба зах транзисторов 35.

Устройство (фиг.О работает еле- дующим образом.

Пр моугольные колебани  44 типа меандр поступают из распределител  1 импульсов на вход формировател  2. На вФоричной обмотке трансформатора 28 формируютс  пр моугольные колебани , не прив занные к нулевому потенциалу . Эти колебани  поступают на последовательно соединенные резисторы 38 датчика 3, обща  точка кото- рых заземлена. Напр жение 48 со вто- рого выхода датчика, имеющее вид колебаний , фаза которых совпадает с фазой колебаний 44, поступает на аналоговый коммутатор 4, на управл ющий вход которого подаютс  импульсы 45, отключающие вход интегратора 5 от первого выхода датчика 3 и подключающие , его через конденсатор 14 к зекр ле, в моменты фронтов и спадов колебаний 48. Поэтому входное напр жение 49 интегратора 5 интегрируетс  в промежутках между импульсами 45, а во врем  действи  этих импульсов результат интегрировани  фиксируетс  и запоминаетс  блоком 6, причем на конденсаторе 21 блока 6 запоминаетс  положительный, а на конденсаторе 22 отрицательный уровни горизонтальных y iacTKOB выходного напр жени  50 интегратора 5. Эти уровни передаютс  на конденсаторы 21 и 22 через ключи 17 и 18 блока 6 по управл ющим им- . пульсам 46 и 47. На управл ющие входы , ключей 19 и 20 подаютс  колебани  44, причем на ключ 19 - с инверсией. Поэтому на выход блока 6 напр жение, с конденсаторов 21 и 22 передаетс  в те полупериоды, когда эти конденсаторы отключены ключами 17 и 18 от интегратора 5. Это исключает вли ние переходных процессов при коммутации ключей 17 и 18 на уровни выходного напр жени  51 блока 6.

Напр жение 52 на втором выходе датчика 3 находитс  в противофазе с напр жением 48. Раздельна  фиксаци  его.положительного и отрицательного уровней и их передача на вход интег-

0

П 5 0

5

0

5

0

5

ратора 8 осуществл етс  блоком 7, работающим с точностью до пол рности напр жений на запоминающих конденсаторах аналогично блоку 6. Пр моугольные колебани  53, формируемые на выходе блока 7, преобразуютс  интегратором 8 в треугольные колебани  54, которые сравниваютс  компаратором 9 с колебани ми 51. В результате на выходе компаратора 9 формируютс  колебани  55, поступающие в преобразователь 10, преобразующий временной интервал , соответствующий сдвигу фазы колебаний 55 относительно опорных колебаний 44, в цифровой код, который затем передаетс  в регистр 11. Этот фазовый сдвиг однозначно определ етс  отношением амплитуд напр жений 51 и 54, т.е. отношением напр жений 48 и 52, а значит и отношением сопротивлений резисторов 38 датчика 3.

Процесс продвижени  сигналов в устройстве показан на фиг.2 сплошными пунктирными стрелками дл  различных полупериодов выходного сигнала датчика 3. Интегратор 5 вносит дополнительную задержку в полпериода, в результате чего компаратором 9 сравниваютс  уровни сигналов 51 и 54, определ емые уровн ми сигналов 48 и 52 датчика 3 в разные (соседние) полупериоды: колебани  51 отстают на полпе- риода от колебаний 54. При медленном (по сравнению с периодом колебаний 44) изменении сопротивлений резисторов 38 или амплитуды ВЫХОДНОГО напр жени  формировател  2 это не вли ет на результаты измерений. Однако наличие синфазной помехи на обоих выходах датчика 3 с частотой, равной или близкой к частоте опорных колебаний ,44, может вызвать ошибку измерени , так сдвиг в полпериода, вносимь1Й интегратором 5, приводит к тому, что на первый вход компаратора 9 эта помеха приходит в противофазе с помехой на втором его входе. Источником синфазной помехи с частотой, равной частоте колебаний 44, может оказатьс , например, наводка на вторичную обмотку трансформатора 28, напр жени  с его первичной обмотки через межобмоточные емкости. Дл  устранени  вли ни  подобных помех достаточно внести задержку в полпериода в сигнал 54 на втором входе компаратора 9 с помощью дополнительного

блока фиксации сигнала, включенного между блоками 7 и 8 (не показан).

В схеме на фиг. 1 на блоки 6 и 7, подаютс  одинаковые управл ющие пульсы 46 и 47. Можно подавать на управл ющие входы входных ключей бло ка 7 импульсы, задержанные относительно импульсов 46 и 47 на любое врем  в пределах данного полупериода В частности, вместо того, чтобы еле- I довать сразу за фронтами (как импуль Iсы 46) и спадами (как импульсы 47). I сигнала 44, эти импульсы могут не Посредственно предшествовать фронтам |И спадам сигнала 44. Однако при на- Iличии скола верпши колебаний 52 I амплитуда колебаний 53 оказываетс  уменьшенной, что дол;кно быть скомпен сированно соответствующим ослаблен; - ; ем колебаний 51 или увеличением ко-™ лебаний 54, например, за счет соот |ветствующего выбора посто нной време |ии интегратора 5 или 8,

. Конденсатор 12 и резистор 26 обес :печивают 100%-ную отрицательную обратную св зь усилител  23 по посто нному , току. При достаточно большой емкости конденсатора 12 обратна  св зь по непременному току через резистор 26 практически отсутствует и линейность наклонных участков напр жени  |54 не ухудшаетс . Повторитель 27 напр жени  позвол ет практически исключить разр д запоминающих конденса- 1торов блока 7 через входную цепь интегратора 8.

В случае питани  датчика гармоническим напр жением пр моугольные колебани  56 (фиг.З) должны быть пре- образованы формирователем переменного напр жени  в гармонические колебани . Это может быть сделано с помощью последовательного соединени  узкополосного фильтра, настроенного на основнзпо частоту колебаний 56,-и линейного усилител  или с помощью схемы, содержащей трансформатор 33, и электронные ключи, состо щие из диодов 34 и транзисторов 35, управл емых выходными сигналами 69-76 (фиг.4) распредехшт л  импульсов. Б последнем случае напр жение питани  датчика имеет вид ступенчато-гармонических колебаний 68. При необходимости ступеньки могут быть сглажены до полнительным фильтром низкой частоты , включенным меж/:|;у трансформатором 33 и входньми электродами 39 датчика

.,

c 0

5 д

д

0

5

(фиг.4). Датчик (фиг.4) представл ет собой электроды 39-42, погруженные в электролит или, например, морскую воду. С помощью этого датчика может быть измерено перемещение электрода 42 относительно нулевого положени , определ емого местоположением заземленного электрода 41, в границах, задаваемых местоположени ми электродов 40. Электрод 42 играет роль первого , а электроды 40 - второго выхода датчика.

Электрод 42 через конденсатор 13 подключен к входу интегратора 5 (на фиг.1 аналоговый коммутатор 4 в этом случае не об зателен). Электроды 40 через блок 43 согласовани  (трансформатор или парафазный усилитель) подключены к блоку 7. При этом гармонические колебани  62 (фиг.З) на входе интегратора 5 (фиг.1) и колебани  65 на входе блока 7 наход тс  в противо- фазе или в фазе, в зависимости от пол рности включени  трансформатора или парафазного усилител  блока 43. Напр жение 63 на выходе интегратора 5 имеет форму гармонических колебаний, смещенных на четверть периода относительно колебаний 62. Блоки 6 и 7 преобразуют колебани  63 и 65 в пр моугольные колебани  64 и 66 с теми же амплитудами. Поскольку колебани  63 . и 65 смещены относительно друг друга на четверть периода, импульсы 58 и 60, а также 59 и 61, -управл ющие запоминанием амплитуд колебаний 63 и 65.в блоках 6 и 7, должны быть попар но сдвинуты относительно друг друга на четверть периода. Колебани  57, управл ющие передачей амплитуд сигналов 63 и 65 на выходы блоков 6 и 7 и одновременно поступающие на вход преобразовател  10, сдвинуты на четверть периода относительно колебаний 56. В остальном работа устройства аналогична ранее рассмотренной (при питании датчика пр моугольными колебани ми ), т.е. сигналы 64, 66 и 67 (фиг.З) аналогичны соответственно сигналам 51, 53 и 54 (фиг.2). Выходной код устройства отражает отношение величины смещени  электрода 42 относительно электрода 41 (с учетом направлени ) к рассто нию между электродами 40. Таким образом, при изменении рассто ни  между электродами 40 измен етс  масштаб, в котором измер етс  смещение электрода 42.

Дл  измерени  малых величин может потребоватьс  усиление сигнала,дл  го на первом выходе датчика 3 и на выходе фиксатора 6 могут быть включены соответственно дополнительные усилители (не показаны).

Отсутствие сквозного тракта хождени  сигнала позвол ет получить большое усиление без опасности возник- новени  паразитной обратной св зи между входом и выходом тракта. Это вместе с фильтрующим действием интег ратора 5 и блока 6 повьппает помехоус тойчивость, а значит, и чувствительность устройства.

Отсутствие искажений формы колеба - НИИ на входах интегратора 8 и компа- ратора 9 при любой форме колебаний

на выходах датчика благодар  примене-20 ра и вторым управл ющим входом преоб- нию блоков 6 и 7 повышает точность устройства. Выполнение блоков 6, 7 в виде двух параллельных цепей с раздельной фиксацией уровней положитель-

разовател  временного интервала в код, третий управл ющий вход которого соединен с дев тым выходом распределител  импульсов, причем второй

ной и отрицательной ползшолн сигнала 25 выход датчика сигнала через второй

обеспечивает дополнительное увеличение точности.

Claims (3)

1. Формула изобретени 

   1. Аналого-цифровой преобразователь , содержащий датчик сигналов, первый накопительный элемент, выполненный на конденсаторе, первый интегратор , выход которого соединен с первым входом компаратора, выход которого соединен с информационным входом преобразовател  временного интервала в код, выходы которого соединены с

   соответствующими информационными вхо .Q личающийс  тем, что первый

   дами регистра, вход управлени  которого соединен с первым выходом блока управлени , выполненного на распреде лителе импульсов, а выходы регистра  вл ютс  выходными шинами, о т л и- чающийс  тем, что, с целью повьппени  помехоустойчивости, точное ти, введены формирователь переменно-- го напр жени , второй и третий накопительные элементы, выполненные на конденсаторах, второй интегратор, аналоговый коммутатор, первый и второй блоки фиксации сигнала, выход первого блока фиксации сигнала через nepBbrii конденсатор соединен с входом первого интегратора, информационный вход первого блока фиксации сигнала соединен с первьш выходом датчика сигнала, первые управл ющие входы

   45

   50

   55

   интегратор выполнен на усилителе, повторителе напр жени , трех резисторах , конденсаторе, перва  обкладка которого объединена с первым выводом первого резистора, выходом усилител  и  вл етс  выходом интегратора, втора  обкладка конденсатора объединена с первым выводом второго резистора и инверсным входом усилител , пр мой вход которого через третий резистор соединен с общей шиной, второй вывод второго резистора соединен с выходом повторител  напр жени , вход которого объединен с вторым выводом первого резистора и  вл етс  входом интег ратора.

   3. Преобразователь по п.1, отличающийс  тем, что блок фиксации сигнала выполнен на четырех

   первого и второго блоков фиксации сигнала и преобразовател  временного интервала в код объединены и соединены с вторым выходом распределител  импульсов, второй и третий входы управлени  первого блока фиксации сигнала соединены соответственно с третьим и четвертым выходами распределител  импульсов, п тый выход которого через формирователь переменного напр жени  соединен с первым и вторым входами датчика сигнала, шестой выход соединен с первым и вторым управл ющими входами аналогового коммутатора , седьмой выход соединен с вторым управл ющим входом второго блока фиксации сигнала, восьмой выход соединен с управл ющим входом компарато-

   ра и вторым управл ющим входом преоб-

   разовател  временного интервала в код, третий управл ющий вход которого соединен с дев тым выходом распределител  импульсов, причем второй

   0

   конденсатор соединен с первым информационным входом аналогового коммутатора , второй информационный вход которого через третий конденсатор, соединен с общей шиной, а первый и второй выходы объединены и через вто рой интегратор соединены с информационным входом второго блока фиксации сигнала, выход которого соединен с вторым входом -компаратора, третий управл ющий вход второго блока фикса ции сигнала соединен с дес тым выходом распределител  импульсов.

   2. Преобразователь по п.1, о т -
2. 5

   0

   5

   интегратор выполнен на усилителе, повторителе напр жени , трех резисторах , конденсаторе, перва  обкладка которого объединена с первым выводом первого резистора, выходом усилител  и  вл етс  выходом интегратора, втора  обкладка конденсатора объединена с первым выводом второго резистора и инверсным входом усилител , пр мой вход которого через третий резистор соединен с общей шиной, второй вывод второго резистора соединен с выходом повторител  напр жени , вход которого объединен с вторым выводом первого резистора и  вл етс  входом интег ратора.

   3. Преобразователь по п.1, отличающийс  тем, что блок фиксации сигнала выполнен на четырех
3. к/йочах и двух конденсаторах, первые обкладки которых объединены и  вл ютс  общей шиной, втора  обкладка пер- Bcjro конденсатора обт единена с выхо цОм первого ключа и соединена с ин- формационным входом второго ключа, BTJopaH обкладка второго конденсатора объединена с выходом третьего клю ча| и соединена с информационным вхо- четвертого ключа, выходы второго и четвертого ключей объединены и  в- выходом блока, втравл ющие второго и четвертого ключей объединены и  вл ютс  первым управ - входом блока, информационные первого и третьего ключей обьединены и  вл ютс  информацион ным входом блока, управл ющие входы первого и третьего ключей  вл ютс  соответственно вторым и третьим уп равл ющими входами блока.

   А, Преобразователь по п., о т л |и чающийс  тем, что, с це ль снижени  рассеиваемой мощности, фо|рмирователь переменного напр жени 

   5 п

   П

   6 п

   п

    

   ч

   Я„   -.,Xg, р:х

   iVP

   53

   Г

   выполнен на трансформаторе, двух ре- зисторах, источнике посто нного на- пр жени , двух транзисторах, инвер

   торе, вход которого соединен с первым выводом первого резистора и  в- л етс  входом формировател  переменного напр жени , второй вывод первого резистора соединен с базой перво-

   го транзистора, эмиттеры первого и второго транзисторов и клемма отрицательной пол рности источника посто нного напр жени  объединены и  вл ютс  общей щиной, а коллекторы соединены соответственно с первым и вторым выводами первичной обмотки трансформатора, средний вывод которой соединен с клеммой положительной пол рности источника посто нного напр жени , выход инвертора через второй резистор соединен с базой второго транзистора, первый и второй выводы вторичной обмотки трансформатора  вл ютс  соответственно первым и

   вторым выходами формировател  переменного напр жени .

   л

   п

   п

   Фиг. 2

   Фиг.З

   . 4

   73.

   74. 75.

   76.

   ±-ж

   H-r-f-i

   i±z

   Фиъ.5