SU1594692A1 - Способ аналого-цифрового преобразовани и устройство дл его осуществлени - Google Patents

Abstract

Изобретение относитс  к электроизмерительной технике и может найти применение в измерительных устройствах дл  преобразовани  посто нного напр жени  в цифровой код. Изобретение позвол ет повысить точность аналого-цифрового преобразовани . Это достигаетс  тем, что в способе аналого-цифрового преобразовани , включающем преобразование измер емого и двух опорных, равных по величине и противоположных по знаку, напр жений в периодическую последовательность импульсов, формирование выходного временного интервала, заполнение его импульсами эталонной частоты, в периодической последовательности импульсов, образованной двум  равными полуциклами, причем в первом полуцикле действуют источники опорных напр жений в последовательности отрицательный источник - положительный источник, а во втором полуцикле - измер емое напр жение, измен ют длительность импульса положительного опорного сигнала при сохранении длительности полуцикла, исключают посто нную составл ющую, анализируют амплитуду сигнала во втором полуцикле и в момент равенства нулю амплитуды сигнала во втором полуцикле преобразуют длительность импульса положительного опорного сигнала в цифровой код. Устройство дл  осуществлени  способа содержит аналоговый компаратор, генератор опорных импульсов, аналоговый мультиплексор, реверсивный двоичный счетчик, источник опорных напр жений положительной и отрицательной пол рностей, цифровой компаратор, три триггера, двоичный счетчик, блок исключени  посто нной составл ющей, шину начальной установки. 2 н.п. ф-лы, 1 з.п. ф-лы, 7 ил.

Description

Изобретение относитс  к электроизмерительной технике, может найти применение в измерительных устрой- .ствах дл  преобразовани  посто нного напр жени  в цифровой код.

Цель изобретени  - повышение точности преобразовани .

На фиг.1 представлена периодическа  последовательность импульсных сигналов (а - исходна , б - после

исключени  посто нной составл ющей,. в - преобразованна )5 на фиг,2 - зависимость длительности импульса положительного опорного сигнала от

входного измер емого напр жени ; на фиг.З - структурна  схема устройства реализугацего способ; на фиг,А - блок .исключени  посто нной составл ющей; на фиг,5 - временные диаграммы од- ного цикла аналого-цифрового преобразовани ; на фиг,6 и 7 - временные диаграммы процесса преобразовани 

вх

соответ-

&х ственно.

Способ осуществл ют следующим образом,

Из входного сигшша и двух опор - нык напр жений формируетс  с помощью коммутатора-мультиплексора импульс- на  периодическа  по ел ед о ват ел кость отрицательШ)й опорный источник , положительный опорный источник, входное измер емое напр жение в следовательность состоит из двух ров ных полуциклов Топ и Тдх(фиг,1а) В первом полуцикле Т действуют сигналы от опорных источников напр же- ний, сначала отршдательный - U , затем положительный +11,. Во вто-

ром полуцикле Т) измер емое посто нное напр жение и gj( (на фиг, 1 и. прин то условно положительным). Опорные сигналы- U of, и Ugn равны по вeличIiнe и противоположны по

знаку Затем в сфор унрованной последовательности импульсных сигналов . исключаетс  посто нна  составл ющга , что приводит к сдвигу этой последовательности вниз И.ПИ вверх относит(2ль но нулевой линии (фиг,16), Ввиду того, что посто нна  составл юща  равна нулю сумма вольт-секундных площадей импульсов одной пол рности S и Sg будет равна гшощади са другой пол рности S ,, т,е, S + + Sj S (фиг, 1б)„ Дальнейшее преобразование после,цовательности импульсных сигналов производитс  путем изменени  времени подключени  на вхо преобразовани  положительного опорного сигнала +UQP (в дальнейшем, широтно-импульсного сигнала ,)

и одновременно при неизменной величине длительности полуцикла Т , будет мен тьс  длительность отрицательного

опорного сигнала

и

оп

Изменение

длительности Т.,убудет продолжатьс 

до момента получени  площади Sa, равной нулю (фиг, 1в),что  вл етс , условием правильного преобразовани  входного измер емого напр жени  Ug, в длительность импульса опорного напр жени  положительной пол рности ... В преобразованной последовательности импульсов S Sg и согласно фиг,1в (/- оп/+и,,)(То„- Т /+Uon/-Uex)

т можно записать

-Uen 00 то

ю

fS

CUon+ ив,)(Топ- ,) (Uon-Uex)Ti,Hc

Ь)ИС

Uon+ и&х 2U

on

on

в общем случае, дл  входных значений ±и gji; последн   формула принимает вид

УОП tUBX

2U

on

on

Таким образом, между временем Т

lilHC

подключени  на вход положительного опорного Hcto4HHKa +U(,o и входным измер емым напр жением U д существует линейна  зависимость, представленна  на фиг,2, дл  которой при Ue,x -Uor) О при О Тшцс

Tonfi при UE,K +U

on

ыис

- nrt

on

Длительность Т,, . преобразованна  в код (например, подсчетом числа импульсов), есть представление искомой величины в цифровом смещенном коде, в котором старший разр д  вл етс  знаковым, I

Таким образом, над входной анало - говой величиной выполн ютс  следующие операции; формирование последовательности - U(5 ( t-U eif из двух равных полуциклов Тд„ и в первом полуцикле -Upj, , +Uon во втором полуцикле tUgjjf; исключение посто нной составл ющей из этой последовательности; анализ амплитуды сигнала во втором полуцикле Т на нуль; изменение времени подключени  -Ugp, +U(,j, так, чтобы сигнал во втором полуцикле после исключени  в нем посто нной составл ющей стал равен - нулю (условие правильного преобразовани ); в этом случае длительность действи  +Vgj информативна и преобразовываетс  в цифровой код (например , подсчетом числа импульсов этллон ной частоты)о

Устройство дл  осуществлени  способа содержит (фиг.З) источники 1 и 2 опорного напр жени  положительной и отрицательной пол рности соответ- ственно, входную шину 3 измер емого напр жени , аналоговый мультиплексор 4, блок 5 исключени  посто нной составл ищей, аналоговый компа- р.атор 6 (элемент сравнени  с нулем), реверсивный двоичный счетчик 7, двоичный счетчик 8, цифровой компаратор 9, генератор 10 опорных импульсов, триггеры 11 - 13, выходную шину 14, шины 15 и 16 на- чальной установки и перегрузки соответственно .

Работа й1налого-цифрового преобразовател  по сн етс  временной диаграммой , приведенной на фиг,5 (один цикл преобразовани ).

Дл  приведени  отдельных элементов аналого-цифрового преобразовател  в исходное состо ние на устройство по шине 15. поступает чальна  установка. При ютс  следующие действи  сброс триггеров 11 - 13 входу R; аналоговый мультиппексор 4 переходит в состо ние Включено по входу управлени  3; двоичный счетчик 8 сбрасываетс  в нуль по входу R; в двоичный реверсивный счетчик 7 по входу предварительной установки РЕ с параллельных входов (микросхема К564ИЕ1) заноситс  цифровой код с единицей в старшем разр де 1000,0000,

0000(дл  одиннадцатиразр дного преобразовател  + знак),  вл ющийс  цифровым эквивалентом входного напр жени , равного нулю, выраженный в смещенном коде, где старший разр д знаковый.

Сигнал Начальна  установка должен об зательно формироватьс  после включени  аналого-цифрового преобразовател  при подаче на него питани  и после установки триггера 13 в единицу.

Цикл работы аналого-цифрового преобразовател   вл етс  периодическим и включает в себ  два равных полуцикла , В течение первого полуцикла на вход блока 5 исключени  посто нной составл ющей через аналоговый мульти- плексор 4 коммутируютс  источники

1и 2 опорного напр жени , в течение второго полуцикла на вход блока 5 подаетс  входное измер емое напр сигнал На- этом выполн - ; происходит в нуль по

5

0

жение по шине 3, Источники 1 и 2 опорного напр жени  равны по величине и противоположны по знаку. Их величина определ ет верхний предел измер в .емого напр жени . Последовательность коммутации входных источников напр жени  и продолжительность и;х подключени  на вход блока 5 обеспечивают прсQ тупающие на управл ющие входа аналогового мультиплексора 4 выходные уровни с триггеров 11 и 12, Двоичный счет- чик 8 производит пр мой счет импульсов , поступающих от генератора 10,

В начале первого полуцикпа после окончани  сигнала Начальна  установка на счетный вход С двоичного счетчика 8 начинают поступать тактовые импульсы с генератора 10, при этом содержимое счетчика последовательно увеличиваетс , Нулевое состо ние триггера 1 указывает на первый полуцикл Т gf,, во врем  которого на вход блока 5 исключени  посто нной

5 составл ю1цей коммутируютс  источники

1и 2 опорного напр жени , В начале

на вход блока 5 через аналоговый муль- типлексор 4 поступает сигнал от от- рицательного источника 2 опорного 0 напр жени  (-U;,,) со гласно сигналам, поступающим на управл ющие входы 1 и

2мультиплексора. На управл ющий вход 1 поступает сигнал с пр мого хода триггера И полуциклов. На управл ю1чий вход 2 поступает сигнал с пр мого выхода триггера 12 (таким образом, состо ние управл ющих вхо- i- дов мультиплексора 00).Код двоичного счетчика 8 сравниваетс  цифровым компаратором 9 с кодом двоичного реверсивного счетчика 7, При достижении равенства состо ний счетчиков цифровой компаратор формирует сигнал 1, поступающий на вход I триг5 гера 12, и по переднему фронту очередного тактового импульса с генератора 10, поступающему на вход С « синхронизации, триггер 12 переходит : в состо ние 1, Тем самым аналоговый

0 мультиплексор (Упр,1, Упр,) коммутирует на вход блока 5 исключени  посто нной составл кщей сигнал от положительного источника 1 опорного напр жени  (+Uon) После переполнени  .

5 двоичный счетчик 8 сбрасываетс  в i нуль и с выхода переполнени  Р устанавливает триггер 1 1 по счетному входу Т в единицу. Сигналом с пр мого выхода триггера 1 1 триггер 12 уста5

0

навливаетс  в нуль по первому входу R- и поддерживаетс  в нулевом состо т НИИ в течение всего второго полуцикла независимо от сигнала с цифрового компаратора. Двоичный счетчик 8 начинает счет от нул . Начинаетс  втрой полуцикл TBX в течение которого на вход блока 5 исключени  посто нно составл ющей подаетс  подлежащее изм рению входное напр жение ill g,y (Упр,1 Упр.), Во втором полуцикле аналоговый компаратор 6 фиксирует отклонение от нул  в -f- (-) поступающий на него с блока 5 уровень сигнала и выдает потенциальный логический с; ;гнал на вход направлени  счета +/- двоичного реверсивного счетчика 7 дл  уменьшени  увеличени ) его состо ни . В момент второго переполнени  двоичного счетчика триггер 11 переходит в состо ние нуль и по перепаду с его инверсного выхода, пос- тупайщему на счетный вход С двоичного реверсивного счетчика 7, измен ет состо ние последнего на один младший разр д в зависимости от выходного состо ни  аналогового компаратора 6. В результате одного цикла в двоичном реверсивном счетчике 7 фиксируетс  код, отличающийс  на один младший разр д от предьщущего кода, И описанна  последовательность повтор етс .

Изменение состо ни  реверсивного счетчика в сторону уменьшени  ( +и) или увеличени  (Ue,) на один- младший разр д после каждого цикла работы аналого-цифрового преобразовател  происходит до момента, когда напр жение на входе аналогового компаратора во втором полуцикпе станет равным нулю. Состо ние.двоичного реверсивного счетчика  вл етс  представлением длительности Т в цифровом смещенном коде, где старший разр д  вл етс  знаковым,

В последующих циклах работы аналого-цифрового преобразовател  происходит слежение за изменением входного измер емого напр жени . Этап слежени  заключаетс  в следующем. Если произойдет изменение входного сигнала Ugj; в целом, во втором полуцикле Tgx произойдет отклонение от нул  напр жени  на выходе блока 5 исключени  посто нной составл ющей, входе аналогового компаратора 6, Выходной логический сигн;ш с аналого10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

вого компаратора 6 будет указывать на то, в какую сторону (+ или -) произошло изменение Ug,; и в соответствии с этим будет мен тьс  состо ние двоичного реверсивного счетчика 7 перепадами, поступающими от триггера 11, Цифровой компаратор будет , мен ть врем  включенного состо ни  триггера 12 и, следовательно, врем  подключени  на вход блока 5 исключени  посто нной составл ющей положительного источника 1 опорного напр жени  -и одновременно отрицательного источника 2 опорного напр жени , Эт-о приведет к плавному сдвигу импульсной последовательности вниз или вверх относительно нулевой линии. Изменение длительности подключени  на вход опорных сигналов будет продолжатьс  до тех пор, пока амплитуда сигнала на входе аналогового комцара- тора 6 во втором полуцикле будет снова равна нулю. При этом состо ние ре- версивного счетчика есть искомое представление входной величины в двоичном смещённом коде и длительность подключени  +U(jj, на вход линейно св зана с TJg)(,

Таким образом, циклическа  работа аналого-цифрового преобразовател  заключаетс  после действи  сигнала Начальна  установка в установле-- НИИ выходного кода, пропорционального входному напр жению Ug)(, и в дальнейшем в слежении за изменением входного напр жени . Количество лов, необходимых дл  получени  кода, пропорционального преобразуемой величине, зависит от величигы скачка Ugy. Дл  скачка AU0 количество цик-- лов определ етс  выражением

йПьу ймл

где - напр жение младшего разр да

Цифрового кода.

На фиг,6 приведена временна  диаграмма на входе и выходе блока 5 лючени  посто нной с оставл клцей при изменении длительности подключени  на вход источников опорного напр жени  после действи  сигнала Начальна  установка до момента установлени  соответстви  между , и длительностью (напр жение на входе аналогового компаратора равно нулю во втором полуцикле), если Upx

- +U. Диаграмма дл  случа  ъх приведена на фиг, 7, В устройстве .- конкретный анализ амплитуды сигнала без постр нной составл ющей на входе аналогового компаратора во втором по луцикле и изменение длительности подключени  опорных источников происходит так: если амплитуда положи-.- тельна , то врем  подключени  +Vд„ увеличиваетс  и, если амплитуда отрицательна , то. врем  подключени  +Uon уменьшаетс .

В устройстве аналого-цифрового преобразовател  применен блок искпю- чени  посто нной составл ющей фиг.4 на основе RC-цепи, который представлет собой усилитель (или повторитель) импульсного сигнала с исключением в выходном сигнале посто нной состав- л ющей и внос щий минимальные искажени  в форму передаваемого и.мпульса. Передача с минимальными искажени ми импульсного сигнала через блок исключени  посто нной составл ющей должна обеспечиватьс  применением операционного усилител  ОУ с большой скоростью нарастани  выходного сигнала (фронт и срез импульсного сигнала) и соответствугацим выбором RC-цепи

(спад вершины импульсного сигнала). Цепи коррекции ОУ должны быть подобраны на отсутствие выбросов напр жени  в сигнале.

В конкретной разработке аналого- цифрового преобразовател  применен ОУ 544УД2А с минимальной скоростью нарастани  30 в/мкс (Unj,,- 12В), RC-цепь выбираетс  из относительного спада вергаины импульса .

Дл  одиннадцатиразр дного аналого- цифрового преобразовател  (12-й разр д знаковый)

2048

Тц1

V м.

2 RC

JQ

)5 20 25 30

0

35

посто нной составл ющей с минимальным сколом вершины импульсов. С другой стороны, при уменшении длительности полуциклов исход т из быстродействи  микросхем, из которых состоит устройство.

Использование изобретени  позвол ет повысить точность преобразовани . В известных аналого-цифровых преобразовател х за счет неидеальности свойств отдельных узлов присутствует аддитивна  составл юща  систематической погрешности, погрешность сдвига сдв Ввиду того, что в предлагаемом устройстве имеетс  блок исключени  посто нной составл ющей, сказываетс  на точности измерени , так как в сравнении на аналоговом компараторе участвует только переменна  составл юща  сигналов. В этом случае погрешность нул  преобразовател  в целом состоит из напр жени  смещени  компаратора и . его температурного дрейфа, что оказывает меньший вклад в погрешность преобразовани . На погрешность преобразовани  не вли ет коэффици- ент передачи измерительного тракта, что важно при измерении малых сигналов . При зтом нет необходимости в дополнительной коррекции усилени  измерительного тракта. Не гувствитель- ность преобразовател  к коэффициенту , передачи следует из формулы преобразовани  входного сигнала в длительность импульса-. Если входные сигналы подвергаютс  усилению в К раз, то в этом случае формула преобразовани  принимает вид

г 5iUon± Uex)

ыис 2К П

- on

on

или

45

Т „ -ь-ис 2и,„ .

Предварительное усиление сигнала выполн етс  дл  повьш1ени  точности работы аналогового компаратора. Коэффициент усилени  должен выбиратьс  таким, чтобы усиление сигнала проходило в линейной области. Длительность полуциклов конкретно определ т ют из следующих соображений. С одной стороны, при увеличении длительности исход т из услови  передачи импульсных сигналов через блок исключени 

Следовательно, информативна  длительность выходного импульса не зави- сит от величины усилени  (нулевой метод). В св зи с этим мультиплика-- тивна  составл юща  систематической погрешности преобразовани  зависит только от стабильности абсолютных величин опорных источников напр же- НИН и не зависит от коэффициента передачи измерительного тракта. Кроме того, на погрешности преобразовани  не сказываютс  медленные изменени 

частоты опорного генератора, так как в этом случае пропорционально мен ютс  и T..), т.е. остаетс  посто нным отношение Т,,,(./То(, .

Claims (3)

1. Способ аналого цифрового преобразовани  посто нного напр жени , основанный на периодическом формировании равных по величине последовательных отрицательного и положительного опорных напр жений, формировании входного напр жени , формирова- НИИ пропорционального входному напр жению временного интервала с последующим определением его кода путем подсчета числа заполн ющих импульсов эталонной частоты, отличаю- щ и и с   тем, что, с целью повышени  трчности преобразовани , формирование в первом периоде последоватеш ных отрицательного и положительного опорных напр жений осуществл ют каж- дое длительностью, равной чеч вертй периода, а формирование входного напр жени  - длительностью, равной второй половине периода, после чего осуществл ют формирование разностно- го сигнала путем вычитани  из сформированных опорных и входного напр жений посто нной составл ющей, в соот- ззетствии с величиной которого в каждом предыдущем периоде измен ют длительность формировани  доследователь ных отрицательного и положительного опорных напр жений в каждом последующем периоде до момента равенства разностного сигнала нулю, при этом при определении кода временного интервала используют код длительности сформированного в последнем периоде положительного опорного напр жени ,

2, Устройство дл  аналого-цифрово- го преобразовани , содержащее аналоговый компаратор, генератор опорных импульсов, аналоговый мультиплексор , реверсивный дзоичный счетчик, источники опорных напр жений положительной и отрицательной пол рности, выходы Которых соединен, с первым и вторым информационными входами ана логового мультиплексора, о т л и - чающеес  тем, что, в него введены цифровой компаратор, три Триггера, двоичный счетчик, блок исключени  посто нной составл ющей, вход которого соединен с выходом

4Q jr п 25 зо .г.

45

35

0

5

аналогового мультиплексора, а выход - с первым входом аналогового компаратора, второй вход которого соединен с общей шиной, а выход аналогового компаратора соединен с входом направлени  счета, реверсивного двоичного счетчика, первый и второй входы цифрового компаратора соединены соответственно с первыми выходами двоичного счетчика и реверсивного двоичного счетчика, который  вл етс  выходной шиной, а выход цифрового компаратора соединен с входом установки в 1 первого триггера, вход синхронизации которого объединен -со счетным входом двоичного счетчика и соединен с выходом генератора опорных импульсов, счетный вход реверсивного двоичного счетчика соединен с инверсным выходом второго триггера, пр мой выход которого соединен с первым управл ющим входом аналогового мультиплексора и первым входом уста-г новки в о первого триггера, выход которого соединен с вторым управ- л ющим входом аналогового мультиплек- сЪра, третий информационный вход которого  вл етс  входной шиной, счет- ный вход второго триггера соединен с выходом переполнени  двоичного счетчика , третий управл ющий вход мультиплексора , входы установки в О двоичного счетчика второго и третьего триггеров, второй вход установки в О первого триггера, вход предварительной установки реверсивного двоичного счетчика  вл ютс  шиной началь-т ной установки, выход переполнени  реверсивного двоичного счетчика соединен с выходом установки в 1 третьего триггера, выход которого  вл етс  шиной сигнала перегрузки. I

3. Устройство по п.2, о т л и - чающеес  тем, что блок исключени  посто нной составл к1цей вьтол- нен на трех резисторах, конденсаторе и операционном усилителе, неинвертирующий вход которого  вл етс  входом блока и объединен с первым выво-. дом первого резистора, второй вы- вод которого соединен с общей шиной, а инвертирукгщй вход операционного усилител  объединен с первыми выводами второго и третьего резисторов, второй вывод последнего из которых соединен с выходом операционного уси- ;ител  и  вл етс  выходом блока, а

v

Ы

TU/UC

Фиг.1

-Uor.

lUonl-lUSxi I

Л

ion

ТциКАО.

0,5пнс.

Г1Ги.

..Кдгтъттпг.

- f atf- -Uon

ч и.

5 nil

-гн

. 5

ЬымЗ

Фиг Л

76к

-f