SU1628204A1 - Интегрирующий аналого-цифровой преобразователь - Google Patents

Abstract

Изобретение относитс  к измерительной технике и может быть в частности , использовано при создании универсальных цифровых вольтметров, Изобретение направлено на повышение точности преобразовани „ Интегрирующий аналого-цифровой преобразователь содержит интегратор-сумматор 1, компараторы 7, 8 источники 9, 10 опорных напр жений противоположных пол рностей , св занные через переключатель 11с интегратором-сумматором 1, D-триггеры 12, 13, 17, RS-триг- гер 18, генератор 14 импульсов, делитель 15 частоты, преобразователь 16 временных интервалов в цифровой код и преобразователи 19, 20 временного интервала в посто нное напр жение За счет наличи  доп пнительного D-триггера 17, RS-триггера 18 и преобразователей 19, 20 обеспечиваетс  переключение пол рностей опорного напр жени  не сразу после переходов через нуль результатов интегрировани  сумм входного и опорного напр жений , а по достижении выходным напр жением интегратора-сумматора 1 пороговых напр жений, одинаковых по значению и противоположных по знаку, благодар  чему исключаетс  погрешность преобразовани , обусловленна  наличием посто нной составл ющей на интегрирующем конденсаторе Зс При этом обеспечиваетс  полна  синхронизаци  частных и полных циклов преобразовани  за счет автоматической и одновременной перестройки пороговых напр жений компараторов 7 и 8 в зависимости от уровн  входного сигнала , благодар  чему исключаетс  погрешность от краевых эффектов 1 з„п, ф-лы„ 3 ило i о ьэ 00 1C о Ј Фю.1

Description

J1

Изобретение относитс  к измерительной технике и может быть, в частности , использовано при создании универсальных цифровых вольтметров.

Цель изобретени  - повышение точности преобразовател о

На фиг о 1 представлена структурна  схема устройства; на фиг„ 2 - воможный вариант электрической принци- пиальной схемы преобразовател  временных интервалов в посто нное напр жение; на фиг с 3 - временные диаграм

мы, по сн ющие работу устройства.

Устройство содержит интегратор- сумматор 1, выполненный на операционном усилителе 2, конденсаторе 3 и двух резисторах 4, 5, первый вход интегратора-сумматора 1  вл етс  вхоной шиной 6, компараторы 7, 8, источ ники 9, 10 опорных напр жений, переключатель 11, два D-триггера 12, 13, генератор 14 импульсов квантовани , делитель 15 частоты, преобразователь 16 временных интервалов в цифровой код, D-триггер 17, RS-триггер 18, преобразователи 19, 20 временных интервалов в посто нное напр жение положительной и отрицательной пол рности соответственно

Преобразователь 19 (Лиг. 2) выполнен , в виде диода 21, резистора 22 и двух конденсаторов 23, 24„

На фиг о За - работа устройства щш входном напр жении, равном нулю (); 36 - Зв -

Устройство работает следующим образом ,,

Большинство функциональных узлов, показанных на фиг 1, можно свести в два укрупненных узла; интегратор- сумматор 1, переключатель 11, источники 9, 10; компараторы 7, 8, генератор 14, D-триггеры 12, 13, RS-триггер 18 представл ют собой автогене- ратор импульсных колебаний, управл емый по частоте изменением посто нных напр жений противоположных пол рностей на соответствующих входах компараторов 7, 8j делитель 15, D- триггер 17, преобразователи 19, 20 представл ют собой устройство синхронизации частоты колебаний автогенератора с так называемой тактовой частотой, котора  в заданное целое число раз меньше частоты генератора 14.

Начнем с рассмотрени  работы автогенератора импульсных колебанийо

ю

5

0

5

5 0

5

0

0

5

Условно зададимс  исходным состо нием одного из функциональных узлов , показанных на фиг„ 1, например, переключател  11 и определим состо ни  других узлово Пусть переключатель 11 находитс  в положении а, показанном на фиг „ 1. Принимаем это положение за нулевое состо ние„ В таком случае опорное напр жение +U0 положительной пол рности с источника 10 поступает на второй вход интегратора-сумматора 1, вызыва  ток через резистор 5о Этот ток и ток через резистор 4 от входного напр жени  UBX зар жают интегрирующий конденсатор 3, в результате чего напр жение на выходе интегратора-сумматора 1 измен етс , стрем сь к отрицательному пороговому напр жению -U.. срабатывани  компаратора В В это врем  на выходах обоих компараторов 7 и 8 высокий потенциал (принимаем, что компараторы наход тс  в единичных состо ни х). С учетом потенциалов на выходах компараторов 7, 8 на неинвертирующих выходах D-триггеров 12, 13 будут также высокие потенциалы (принимаем, что они тоже наход тс  в единичных состо ни х). Перед этим срабатывали компаратор 7 и триггер 12, в результате к S-входу RS-триг- гера 18 прикладывалс  высокий потенциал и на неинвертирующем выходе этого триггера установилс  тоже высокий потенциал (принимаем, что RS- триггер 18 находитс  в единичном состо нии).

Указанные состо ни  функциональных узлов сохран ютс  до момента, в который измен ющеес  напр жение на выходе интегратора-сумматора 1 сравн етс  с пороговым напр жением -Un срабатывани  компаратора 8 В этот момент компаратор 8 срабатывает (на его выходе устанавливаетс  нулевой потенциал), т.е, он переходит в нулевое состо ние, вызыва  (по приходу 1 с генератора 14 на С-вход D- триггера 13) переход D-триггера 13 тоже в нулевое состо ние. В свою очередь приход 1 с инвертирующего выхода D-триггера 13 на R-вход RS- триггера 18 переводит последний в нулевое состо ние, что в конечном счете вызывает перевод переключател  Ч в положение б„

В результате оперное напр жение на втором входе интегратопа-сумматоpa 1 скачкообразно измен етс  от +Ug до -U0 и с этого момента времени начинаетс  перезар д интегрирующего конденсатора 3, напр жение на выходе интегратора-сумматора 1 начинает измен тьс  в сторону положительной пол рности, стрем сь к пороговому напр жению +Un срабатывани  компаратора 7, компаратор 8 и D-триг- гер 13 возвращаетс  в исходные (единичные ) состо ни , а RS-триггер 18 сохран ет новое (нулевое) состо ние0

Б момент, в который измен ющеес  напр жение на выходе интегратора- сумматора 1 достигнет порогового значени  +Un, срабатывает компаратор 7, переводит D-триггер 12 в нулевое состо ние , последний возвращает RS-триг- гер 18 в исходное (единичное) состо ние , вызыва  установление переключател  11 тоже в исходное (нулевое) состо ние, опорное напр жение на втором входе интегратора-сумматора 1 скачкообразно измен етс  уже от -Uc до +иа начинаетс  обратный перезар д интегрирующего конденсатора 3, напр жение на выходе интегратора-сумматора 1 начинает измен тьс  в сторону отрицательной пол рности, снова стрем сь к пороговому напр жению -Un срабатывани  компаратора 8, компаратор 7 и D-триггер 12 возвращаютс  в исходные (единичные) состо ни  - RS-триггер 18 сохран ет исходное (единичное) состо ние.

Далее процесс автоколебаний повтор етс , как описано, начина  с исходного состо ни ,

Очевидным условием обеспечени  периодических перезар дов интегрирующего конденсатора 3 и поддержани  таким образом непрерывных колебаний  вл етс  периодическа  смена направлени  тока в цепи с интегрирующим конденсатором 30 Этот ток складываетс  из двух токов: тока через резистор 4, вызываемого входным (преобразуемым ) напр жением U, и тока через резистор 5, вызываемого опорными напр жени ми +UQ и -U0, равными по значению, но противоположными по пол рности, действующими поочередно, из-за чего второй ток также поочередно измен ет направление0 Дл  того, чтобы и суммарный ток зар да интегрирующего конденсатора 3 также поочередно (периодически) измен л направление , не уменьша сь при этом до ну16

28204 л ,

необходимо, чтобы сила ока 1 через резистор 4, сопротивление которого , по абсолютному значению

I ТА| всегда была меньше абсолютного

5/ /

значени  силы тока /Ij/ через резистор 5, сопротивление которого Rg-. Математически это условие обеспечени  непрерывной работы автогенера IQ тора импульсных колебаний можно представить в виде неравенства:

M-lSfr-b/-/ /1 5 Нетрудно вывести аналитическое выражение дл  зависимости интервалов времени &t, и At2 перезар дов интегрирующего конденсатора 3 от порогово- . го напр жени  -Un до порогового на20 пр жени  +U- и обратно от +Un до Un соответственно, а также периода перезар да ,+u.t2, от входного (преобразуемого ) напр жени  Ug. Ксполь- зу  уже прин тые обозначени  и вво25 д  новые, можно составить уравнение:

.К/ ,

где СЦ - емкость интегрирующего конденсатора 3;

/(/ абсолютные значени  силы токов перезар да интегрирующего конденсатора 3 на интервалах времени &t. и

30

5

0

it, соответственно.

5

Исход  из необходимости выполнени  выше приведенного неравенства

/т /- /ив -/т

м -/R hib -/ R; /

принимаем

, W

w

Uo

Г9 -

Uo S

UB

ЙТ

U ex RT

Тогда

50

. 2Un-Cj u Co UBX. R5 R4

At.

2UU C

1 о ЙЈ1 Rf Ц

55

Вычислив их разность и сумму, можно найти отношение

4fcl.

A tt +Щ

из которого следует, что

, R v U6X uo R5 /U, +uta

Учитыва , что период автоколебаний

,+ut2,

R4

UW-U«

%

Из формул следует, что дл  получени  информации о значении входного напр жени  U вх (при работе ИАЦП в составе какого-либо измерител ) необходимо заранее знать значени  опорного напр жени  Uo и отношени  сопротивлений , Rj резисторов 4, Ъ в процессе же преобразовани  необходимо сначала измер ть интервалы времени &t( -, utj., а затем вычисл ть результат (при необходимости суммировать целое число раз дл  получени  необходимой точности)0 Эти операции частично осуществл ютс  в преобразователе 16 временных интервалов в цифровой код, а окончательно - во внешних устройствах, совместно с которым ИАЦП используетс .

Выражение дл  зависимости периода Т одного колебани  автогенератора импульсных колебаний или периода автоколебаний от входного напр жени 

U

2

ьх

21.

Uo

C3.RS

C1-gf

ИГ

Rr

из которого следует, что минимальное значение периода будет при и будет увеличиватьс  по мере возрастани  UB)( независимо от его пол рности, стрем сь к бесконечности при приближении к UO/RЈ, Из-за такой зависимости периода Т автоколебаний от входного напр жени  Ilex оказываетс  невозможным при любых значени х U 6X совместить целое число таких периодов (или как прин то вышечастных циклов) с интервалом интегрировани  входного напр жени  (полным циклом), длительность которого выбираетс  равной или кратной периоду переменного напр жени  помехи Эта несинхронность, как указывалось выше , и обуславливает одну из составл ющих погрешности таких преобразователей - от асинхронности частных и полных циклов преобразовани .

Б данном устройстве обеспечиваетс  синхронизаци  частных и полных цик0

5

0

5

0

лов преобразовани  за счет автоматической перестройки пороговых напр жений +Un и -Un при изменении входного напр жекл  U6)f0 Возможность осуществлени  синхронизации таким образом следует из последнего выражени  дл  Т - при возрастании от нул  входного напр жени  UBX по абсолютному значению дл  сохранени  неизменным периода Т необходимо соответствующим образом понизить пороговые напр жени  +Un и -Ир. Следует отметить, что пороговые напр жени  +Un, -Un не вход т в формулы, которыми описываютс  зависимость между входным напр жением и результатом преобразовани  - отношением разности и суммы интервалов времени, а следовательно, изменение U никоим образом не вли ет на точность преобразовани ,

Пороговое напр жение Un необходимо измен ть следующим образом:

тт Uo-T , Uex-R,

при UBX 0

тт - U°1T

Un

При соотношении аил токов через резисторы 4 и 5

14 Uex R n r 77

R

ип

ип °с;1;

а при - 0,7

v &Ј.«

Переходим к рассмотрению совместной работы автогенератора импульсных колебаний и показанных на фиг„ 1, делител  15, триггера 17, преобразователей 19, 20, которые,, как указано, представл ют собой устройство синхронизации частоты колебаний автогенератора с так называемой тактовой частотой , котора  в заданное, целое число раз меньше частоты генератора 14.

Как показано на фиг. 3 (сплошными лини ми), в момент t на выходе делител  15 по вл етс  положительный перепад напр жени  Do,, который поступает на С-вход D-триггера 17 и пе

реводит его в другое состо ние, такое , что на инвертирующем выходе по вл етс  отрицательное напр жение UT (отрицательный импульс). Этот отрицательный импульс поступает на вход преобразовател  19 временных интервалов в посто нное напр жение положительной пол рности, возможный вариант электрической принципиальной схемы которого представлен на фиг„2„ Характерным дл  всех схем таких преобразователей  вл етс  наличие в каждой схеме интегрирующей RC-цепи (звена 1-го пор дка) и при необходимости некоторых других элементов дл  обеспечени  требуемого размаха напр жени  перед RC-цепыо. Аналогично выполнен и преобразователь 20, но с учето получени  отрицательного напр жени  на выходе. Поступивший с инвертирующего выхода D-триггера 17 на вход преобразовател  19 отрицательный импульс вызывает линейный спад напр жени  на выходе преобразовател  19 и на входе компаратора 7 Напр жение U на выходе интегратора- сумматора 1 в это врем  линейно возрастает в сторону положительных значений , стрем сь к +Up В момент вре мени tu возрастающее от -U и спадающее от +U| напр жени  сравниваютс  компаратор 7 срабатывает и переводит D-триггер 12 в другое состо ние, а на его инвертирующем выходе по вл етс  1, котора  поступает на R-вхо D-триггера 17 и переводит его в исходное состо ние„ На инвертирующем выходе по вл етс  положительное напр жение Upj (положительный импульс), которое вызывает линейное возрас а- ние напр жени  +Ufj на выходе преобразовател  19 о Кроме того, перевод тс  в другое состо ние RS-триггер 18 и переключатель 11, в результате чего на второй вход интегратора-сумматора 1 начинает поступать положительное опорное напр жение +U0, что вызывает спад напр жени  Uu на выходе интегратора-сумматора 1„ Это напр 

жение L u в момент времени t сравниваетс  с отрицательным пороговым напр жением -U на выходе преобразовател  20 - срабатывают компаратор 8, затем D-триггер 13, RS-триггер, переключатель 11 и Ufl становитс  отрицательным , U начинает возрастать в сторону положительных значений, стрем сь к пороговому напр жению

628204 +U

10

10

15

20

25

-JQ - 35

40

45

50

55

n. E некоторый момент t (может раньше, а может позже момента времени t() оп ть на выходе делител  15 по вл етс  положительный перепад 1Ь, D-триггер 17 переводитс  в нулевое состо ние и на выходе преобразовател  19 по вл етс  линейный спад напр жени  Un, с которым в момент t сравниваетс  выходное напр жение иц интегратора-сумматора 1, компаратор 7 вновь срабатывает , и процесс повтор етс  о Описанное относитс  к установившемус  процессу о

Начала переходных процессов показаны на фиг. 3 штриховыми лини ми. Так, на фиг о За, на которой сплошными лини ми изображены формы сигналов в установившемс  процессе при напр жении UB), на входе ИАЦП равном нулю, показано штриховыми лини ми изменение хода напр жени  Иц на выходе интегратора-сумматора 1 при подаче в момент времени t0 на вход напр жений положительной (U&s 0) и отрицательной (UB)) пол рностейо По вление напр жени  на первом входе интегратора-сумматора 1 на интервалах времени, когда на втором входе опорное напр жение +1Т0 приводит к возрастанию положительного тока перезар да интегрирующего кснденса- тора 3, а следовательно, - к повышению скорости спада напр жени  U. на выходе интегратора-сумматора 1, в интервале же времени, когда на втором входе опорное напр жение -U0, наоборот , - к понижению отрицательного тока перезар да, а следовательно, - к уменьшению скорости возрастани  иц . При действие Происходит в обратном пор дке о

Описанное проиллюстрированно на фиг о За, причем показано удлинение периода перезар да интегрирующего конденсатора 3, равного интервалу времени от момента tfl до момента повторного достижени  возрастающим напр жением Пц порогового значени  Un. В установившемс  режима при Ugx 0 это соответствует моменту времени

С по влением напр жени  U „любой пол рности период автоколебани  удлин етс , а это значит, что возрастающее напр жение Ътц в момент tg, как показано на фиг0 За, еще не достигает порогового напр жени  U (хот  при оно бы его достигло)0 После

момента t Иц продолжает возрастать, a Un продолжает спадать, и так до момента сравнени s после которого, как описано выше, UM начинает спадать , и - возрастать, Но времени дл  возрастани  Un до момента прихода очередного положительного перепада напр жени  Ua. с выхода делител  15 осталось меньше, чем было в пре- дьщущем такте при . Следовательно , значени  пороговых напр жений +Un и -11 станут меньше, а это приведет к тому, что в следующем такте период перезар да интегрирующего кон денсатора 3 сократитс , и еще через несколько тактов переходной процесс закончитс , установитс  новый стационарный режим, показанный на фиг с, 36, в дл  двух пол рностей напр жени 

ивхНа тех же фиг„ 36,в штриховыми лини ми показаны начала развити  переходных процессов при уменьшении входных напр жений Uex в момент tQ. Возрастающие напр жени  иц в обоих случа х достигают пороговых напр жений Un раньше, чем достигли бы в установившемс  режиме, а это приводит к возрастанию Un в последующих тактах , и тем самым - к сохранению периода перезар да интегрирующего конденсатора 3 неизменным. В случае резкого отклонени  входного напр жени  вступает в действие св зь между инвертирующим выходом D-триггера 17 и S-входом D-триггера 120 Благодар  этой св зи В-трйггер 12 может переключитьс  только в интервале от момента прихода тактового импульса (положительного перепада) с выхода делител  15 до момента срабатывани  компаратора 7, после этого до момента прихода очередного тактового импульса переключение D-триггера 12 невозможно, что исключает  вление самовозбуждени  о

Подача импульсов квантовани  с генератора 14 на С-входы В-триггеров 12, 13 обеспечивает синхронизацию моментов переключений пол рности опорного напр жени , т.ес изменени  пол рности U0 происходит не в моменты срабатывани  компараторов 7а 8, а в моменты прихода первого после срабатывани  одного (любого) из компараторов квантующего импульса В реаультате каждый интервал времени,, в течение которого на второй вход

0

0

5

0

5

0

5

0

интегратора-сумматора 1 с выхода переключател  11 поступает опорное напр жение одной пол рности, содержит целое число периодов следовани  импульсов квантовани  о Тем самым исключаетс  возможность накоплени  погрешности квантовани .

Форма напр жени  на неинвертирующем выходе RS-триггера 18 полностью соответствует форме напр жени  U0 на выходе переключател  11, как показано на фигс 3„

Сравнительно низкое значение посто нной составл ющей выходного напр жени  интегратора-сумматора 1, а следовательно, и посто нной составл ющей напр жени  на интегрирующем конденсаторе 3 обеспечиваетс  одновременным автоматическим регулированием как положительного порогового напр жени  +Un на входе компаратора 7, так и отрицательного Un на входе компаратора 80 Осуществл етс  это преобразовател ми 19, 20 временных интервалов в посто нные напр жени  противоположных пол рностей, которые питаютс  или управл ютс  от одного D-триггера 17„

Таким образом, за счет применени  двух преобразователей временных интервалов в посто нные напр жени  и третьего D-триггера, питающего преобразователи или управл ющего ими,устройство обладает более высокой по сравнению с прототипом точностью преобразовани 

Claims (2)

1. Формула изобретени 

   , 1. Интегрирующий аналого-цифровой преобразователь, содержащий интегратор-сумматор , первый вход которого  вл етс  входной шиной, второй вход соединен с выходом переключател , первый и второй информационные входы которого соединены с выходами источников опорных напр жений положительной и отрицательной пол рностей, а выход интегратора-сумматора соединен с первыми входами первого и второго компараторов, выходы которого соединены с D-входами соответствующего первого и второго D-триггеров, С-входы которых объединены с входом делител  частоты и тактовым входом преобразовател  временных интервалов в код и подключены к выходу генератора импульсов квантовани , отличаю13

   щ и и с   тем, что, с целью полыше- ни  точности преобразовател , в него введены третий П-триггер, RS-триггер и первый и второй преобразователи временных интервалов в посто нные напр жени  положительной и отрицательной пол рностей, выходы которых соединены соответственно с вторыми входами первого и второго компараторов, а входы подключены соответственно к инверсному и пр мому выходам третьего D-триггера, С-вход которого соединен с выходом делител  частоты, R- вход объединен с S-входом КЗ-триггера и подключен к инверсному выходу первого D-триггера, инверсный выход второго D-триггера соединен с R-входом RS-триггера, пр мой и инверсный выходы которого подключены соответствен но к первому и второму управл юпдам

   Ч. О/,|/4

   входам преобразоплтел  временного интернала в код, выход которого  нп - етс  выходной шиной, инверсный выхоп RS-триггера соединен с управл ющим входом переключател .
2. 2. Преобразователь по п. 1, от - л и ч а ю щ и и с   тем, что преоб0 разователь временного интервала в посто нное напр жение соответствующей пол рности выполнен на диоде, резисторе , двух конденсаторах, первый вывод первого из которых  вл етс  вхо5 Дом преобразовател , второй вывод подключен к первому выводу резистора и через диод к шине нулевого потенциала , второй вывод резистора  вл етс  выходом преобразовател  и через

   IQ второй конденсатор соединен с шиной нулевого потенциала.

   21

   21