SU947962A1 - Способ аналого-цифрового преобразовани и устройство дл его осуществлени - Google Patents

Description

Изобретение относитс  к измерительной технике и может быть использовано в системах автоматического измерени , а также в качестве автономного измерительного прибора с автоматической цифровой коррекцией аддитивной и мультипликативной пог-. решностей аналоговой величины в цифровой код.

Известен способ аналого-цифрового преобразовани , основанный на подключении первого эталонного напр жени  к преобразователю напр жениечастота , формировании номинального времени измерени  путем подсчета импульсов эталонной частоты, равного номинальному значению множител  калибровки, с одновременным подсчетом импульсов частоты, пропорциональной первому эталонному напр жению за сформированное врем , подключении второго эталонного напр жени  к преобразователю напр жение-частота, подсчете количества импульсов частоты , пропорциональной второму эталонному напр жению, до значени , равного разности номинального значени , соответствующего максимальному входному напр жению, и подсчитанного ранее количества импульсов, с одно- .

временным подсчетом количества импульсов эталонной частоты, формированием нового значени  множител  калибровки, сравнением значений полученного и номинального множителей калибровки, повторением вышеуказанных операций в случае, если результат сравнени  больше заданного, формировании множител  смещени  нул  пу10 тем подсчета импульсов частоты, пропорциональной первому эталонному напр жению за врем  измерени , равное времени подсчета количества импульсов эталонной частоты, равного

15 значению множител  калибровки в случае , если результат сравнени  меньше или равен заданному, последующем подключении измер емого напр жени  к преобразователю напр жение-частота,

20 о величине которого суд т по разности количества импульсов частоты, пропорциональной измер емому напр жению за врем  измерени , и множител  смещени  нул .

25

Известно устройство дл  осуществлени  способа, которое содержит источники измер емого и двух эталонных напр жений, преобразователь напр жение-частота , аналоговые переклю30 чатели, блок управлени , элементы И, реверсивные счетчики и генератор эталонной частоты 1. Недостатком известных способа и устройства, его реализующего,  вл етс  низкое быстродействие операции измерени , обусловленное тем, что в зависимости от ухода характеристик промежуточного преобразовател  напр жение-частота осуществл етс несколько итеративных тактов калибровки/ в результате которых формируютс  значени  начальной установки и времени измерени . Наиболее близкими к предлагаемым  вл ютс  способ аналого-цифрового преобразовани  с цифровой коррекцией погрешностей и устройство, реали зующее способ. & Способ аналого-цифрового преобразо вани  основан на преобразовании на так калибровки в частоту следовани  импульсов двух эталонных напр жений и определений соответственно кода, пропорционального разности количеств импульсов частот, пропорциональных эталонны / напр жени м, подсчитанным за посто нное врем , преобразовании на такте измерени  в частоту следовани  импульсов измер емого напр жени , запоминании на такте Калибровки после преобразовани  в час тоту следовани  импульсов двух эта лонных напр жений количества импуль сов частоты, пропорциональной одному из эталонных напр жений, подсчитанных за посто нное врем , а определе ние выходного кода на такте измерёни  осуществл ют путем подсчета за врем  измерени  разности количес импульсов частот, пропорциональных измер емому напр жению и запомненно му эталонному напр жению, Устройство дл  осуществлени  спо соба содержит преобразователь напр  жение-частота, вход которого через аналоговые переключатели соединен с выходами источников двух эталонных и измер емого напр жений, блок управлени , три выхода которого сое динены с управл ющими входами анало говых переключателей, выход преобра зовател  напр жение- частота соединен с первыми входами первого, второго и третьегоkэлементов И, другие входы второго и третьего элементов И соединены с первым и вторым выходами блока управлени , генератор импульсов посто нной частоты, выход которого соединен с одним входом четвертого элемента И, выход которого соединен с входом второго счет чика, выход первого элементу И соединен с суммирующим входом второго счетчика, выходы второго и третьего элементов И соединены с вычитающим и суммирующим входами третьего счет чика, выходы первого и третьего счетчиков соединены с входами двоич ного умножител , выход которого через четвертый счетчик соединен с первым входом блока управлени , п тый счетчик, вход которого соединен с выходом второго элемента И, и второй двоичный умножитель, входы которого соединены с выходами первого и п того счетчиков, а выход соединен с вычитающим входом второго счетчика, третий вход блока управлени  соединен с другими входами первого и четвертого элементов И, а выход генератора импульсов посто нной частоты соединен с вторым входом блока управлени  С21. Недостат1 ом известных, способа и устройства, его реализующего,  вл етс  низкое быстродействие, обусловленное тем, что общее врем  преобразовани  равно длительности трех тактов преобразовани  и выбираетс  исход  из заданной погрещности аналого-цифрового преобразовани  и минимa iьнoй частоты на выходе преобразовател  напр жение-частота. Кроме того, низкое -быстродействие способа и устройства при измерении быстромен ющихс  процессов приводит к по влению значительной динамической погрешности в процессе измерени , так как за вре1у1  аналого-цифрового преобразовани  измер емое напр жение может изменитьс . Цель изобретени  - повышение быстродействи  и уменьшение динамической погрешности преобразовани . Поставленна  цель достигаетс  тем, что в способе аналого-цифрового, преобразовани , основанном на линейном преобразовании двух эталонных и измер емого напр жений в частоту следовани  импульсов, введены операции формировани  заданного количества периодов частот, пропорциональных двум эталонным и измер емому напр жени м, подсчета разности количеств импульсов посто нной частоты за заданное количество периодов частот, пропорциональных первому эталонному и измер емому напр жени м, формировани  первой частоты, пропорциональной произведению указанной разности на количество импульсов посто нной частоты за заданное количество периодов частоты, пропорциональной второму эталонному напр жению , подсчета разности количеств импульсов посто нной частоты за заданное количество периодов частот, пропорциональных,первому и второму эталонным напр жени м, формировани  второй частоты, пропорциональной произведению второй разг ности на количество импульсов посто нной частоты за заданное количество периодов частоты, пропорциональной измер емому напр жению, и

делени  первой и второй сформированных частот, а в устройство дл  осуществлени  способа, содержащее ис-ч точники двух эталонных и измер емого напр жений, соединенные через первый второй и третий аналоговые ключи с аходом преобразовател  напр жениечастота , блок управлени , три первых .выхода которого соединены со вто рыми входами аналоговых ключей и первыми входами первого, второго и третьего элементов И, причем выход первого элемента И соединен с суммирующим входом первого счетчика выход второго элемента И соединен с суммирующим входом второго счетчика , выход третьего элемента И соединен с суммирующим входом третьего счетчика, четвертый счетчик, п тый счетчик, выход которого сЬединен с входом блока управлени , генератор импульсов посто нной частоты, выход которого соединен с вторым входом третьего элемента И, первый двоичный умножитель, управл ющие входы которого соединены с выходами п-ервого счетчика, второй двоичный умножитель, управл ющие входы которого соединены с выходами третьего счетчика, четвертый элемент И, введены третий двоичный умножитель, управл ющие входы которого соединены с выходами второго счетчика, а счетный вход - с выходом первого двоичного умножител , четвертый двоичный умножитель, управл ющие входы которого соединены с выходами четвертого счетчикаi а счетный вход - с выходом второго двоичного умножител , п тый элемент И, один вход которого схэединен с выходом четвертого двоичного умножител , а выход - с входом п того счетчика, причем выход генератора импульсов посто нной частоты соединен с вторыми входами первого и второго элементов И и первого и второго двоичных умножителей, суммирующий и вычитающий входы четвертого счетчика соединены с выходами первого и второго элементов И соответственно , четвертый выход блока управлени  соединен с вторыми выходами четвертого и п того элементов И, первый вход четвертого элемента И соединен с выходом третьего двоичного умножител , выход преобразовател  напр жение-частота соединен с вторым входом блока управлени , а выход третьего элемента И - с вычитающим входом первого счетчика.

На фиг.1 изображена структурна  схема устройства дл  осуществлени  способа аналого-цифрового преобразовани ; на фиг.2 - схема блока управлени , вариант.

Устройство содержит источники 1 и 2 эталонных напр жений, источник 3 измер емого напр жени , .ключи 4 - б, блок 7 управлени , преобразователь 8 напр жение-частота, генератор 9 посто нной частоты, элементы И 10 - 12, счетчики 13 - 16, двоичные умножители 17 - 20, элементы И 21 и 22, счетчик 23.

Блок 7 управлени  состоит из триггеров 24 - 27, элементов И 28 - 30, элемента ИЛИ 31, счетчика 32. Блок 7 управлени  предназначен дл  выра0 ботки временных интервалов TQ , Т и TX, соответствующих двум эталонным UQ и измер емому и напр жени м , и управлени  работой аналогоцифрового преобразовател .

Аналого-цифровое преобразование

5 по предлагаемому способу проводитс  следующим образом.

Линейное преобразование первого, второго эталонных.и измер емого напр жений в частоту осуществл етс 

0 с помощью преобразовател  8 напр жение-частота с выходной характеристикой

,+К,.и,

где F - частота на выходе преобразо5 вател  8 напр жение-частотаj F - начальна  частота преобразовател  В напр жение-частота , крутизна преобразовател  8

0

напр жение-частота; Ux - напр жение на входе преобразовател  8 напр жение-частота .

В общем случае F-t и К; нестабиль5 ны из-за изменени  напр жений источников питани , изменени  температурно влажностного режима работы, старени  комплектующих элементов и прочих дестабилизирующих факторов.

0

Подключение на вход преобразовател  8 напр жение-частота источников 1-3 первого Ug и второго и эталонных и измер емого и напр жений осуществл етс  через ключи 4 - б, управл емые блоком 7 управлени . При пос5 туплении на блок 7 управлени  команды Пуск триггер 24 устанавливаетс  в единичное состо ние и подает разрешение на элемент И 28, через который импульсы частоты F с выхода преобра0 зовател  8 напр жение-частота поступ пает на вход элемента ИЛИ 31 и далее на вход счетчика 32 емкостью п импульсов .

После подсчета п импульсов импульс

5 переполнени  с выхода счетчика 32 возвращает в исходное (нулевое состо ние триггер 24, КОТО1МЛЙ подает соответствующий сигнал на ключ 4, в результате чего источник 1 первого

0 эталонного напр жени  отключаетс  от входа преобразовател  8 напр жениечастота . Врем  заполнени  счетчика 32 и определ ет длительность каждого такта преобразовани . Установка в исходное С нулевое ) состо ние тригге5 pa вызыва&т установку в единичное состо ние триггера 25, который feрез ключ - 5 подключит на вход преобра зовател  8 напр жение-частота источник 2 второго эталонного напр жени  0 . Импульсы частоты F с выхода преобразовател  8 напр жение-частота поступают через элемент И 29 и элемент ИЛИ 31 на вход счетчика 32. Пос ле переполнени  счетчика 32 триггер 25 переводитс  в исходное (нулевое) состо ние, а триггер 26 устанавливаетс  в единичное состо ние, и источник 3 измер емого U напр жени  подключаетс  через ключ 6 к входу преобразовател  8 напр жение частота. Иютульсы преобразованной частоты с выхода прербразовател  8 напр жение-частота поступают через элемент И 30, на другой вход которого поступает разрешение с выхода триггера 26, и элемент ИЛИ 31 на вход счетчика 32. При поступлении на счетчик 32 п импульсов он переполн етс , и импульс переполнени  переводит три гер 26 в исходное (нулевое) состо ни Триггер 27 переводитс  в единичное состо ние и подает- разрешение на эле менты И 21 и 22. Аналого-цифровое преобразование происходит за 4 такта. На первом такте формируетс  временной интервал Т T n-t. где n - емкость счетчика 32 блока 7 управлени , который заполн етс  импульсами часто ты выхода генератора 9 постоднной частоты.Количество импульсов N N, через элемент И 10, на другой вход которого подаетс  разрешение с выхо триггера 24 блока 7 управлени , пос тупает на суммирующие входы счетчик 13 и 15. . На втором такте на вход преобразовател  8 напр жение-частота подае с  напр жение U и формируетс  врем ной- интервал РЪ -t т . который заполн етс  импульсами част тыРад, с генератора 9 посто нной час тоты. Количество импульсов Nfj П ЭС1п- 1 через элемент И 11 на другой вход которого подаетс  разрешение с триг гера 25 блока 7 управлени , поступает на вход счетчика 14 и вычитающий вход счетчика 15. На третьем такте на вход преобразовател  8 напр жение-частота подаетс  напр жение U и формируетс  временной интервал T-j T,n-ta .- i , который заполн етс  импульсами часю тотыЕд. Количество импульсов N, V-F3dn.-T через элемент И 12, на другой вход которого подаетс  разрешение с триггера 26 блока 7 управлени , поступает на вычитающий вход счетчика 13и вход счетчика IR. К концу третьего такта формируетс  разность N4 количеств импульсов ПОСТОЯННОЙ частотыРЗЯП за заданное (п) количество периодов частот, пропорциональных первому эталонному UQ и измер емомуUx напр жени м WS «n.,)Эта разность записываетс  в счетчике 13.. Таким же образом формируетс  разность Ug количеств импульсов посто нной частоты , заданное п колиество периодов частот, пропорциональных первому UQ и BTOpOMyU -j, эталонным напр жени  / . РЭ«П(Т,-Т). эта разность записываетс  в счетчике 15. Формирование частоты Fg , пропорциональной произведению разности N4 на количество импульсов Nrj посто нной. частотыР ап заданное, (п) количество периодов частоты, пропорциональной второму эталонномуUm напр жению, осуществл етс  с помощью умножитеей 17 и 18. На выходе двоичного умножител  17 формируетс  частота Рл с с Ь301П где А - емкость счетчика 13. Эта частота поступает на вход двоичного умножител  18, на выходе которого формируетс  частота F р.рА-/ В sati. где В - емкость счетчика 14. Ф.ОЕМйрование частоты FT , пропорциональной произведению разности Nj на количество импульсов Nj посто нной частотыFjjjp3a заданное (п количество периодов частоты, пропорциональней 1змер емомуU;( напр жению, осуществл етс  с помощью двоичных умножителей 19 и 20. На выходе двоичного умножител  20 формируетс  частота FQ

где С - емкость счетчика 16,

Эта частота поступает на вход двоичного умножител  19, на выходе которого формируетс  частота F-, здп.-ёТс- где D - емкость счетчика 15. На четвертом такте осуществл е с  определение кода, пропорционал ного измер емому Ux напр жению. Операци  определени  отношени  частот Pg и Р-, осуществл етс  с пом щью счетчика 23, элементов И 21 и 22, на которые подаетс  разрешени с выхода триггера 30 блока 7 упра ни . Емкость счетчика 23 равна Е. пульс переполнени  счетчика 23 пе водит триггер 27 блока 7 управлен в исходное (.нулевое) состо ние, запира  элементы И 21 и 22. Следовательно , врем , в течение кото го счетчик 23 переполнитс , равно Е- C-D BWX. F, . За это врем  на выход устройства с выхода элемента И 21 поступает количество импульсов N N -E-C-D вых- . гаг. 7i Подставим в последнее выражени 3 начени  «п.ап1т.-) N -Е- шх- А-Б ,,п.Г1-) аГг) ( Умножа  числитель и знаменател последнего выражени  на Fn , F, (Рл получим N -Е. ВЫХ- А в , P.) , - F,K,.( где Q Е --- коэффициент пропорциональности . Из выражени  дл Мд уСледует, что результат аналого-цифрового преобр зовани  не зависит от характеристи преобразовател  8 напр жение-часто та F и К и от частотыР дп генератора 9 посто нной частоты.

Claims (2)

1. Технико-экономический эффект предлагаемых способа и устройства заключаетс  в повышении быстродействи  аналого-цифрового преобразовани , которое составл ет менее 0,3 с, а следовательно, и снижении динс1мической погрешности. Формула изобретени  1.Способ аналого-цифрового преобразовани , основанный на линейном преобразовании двух эталонных и измер емого напр жений в частоту следовани  импульсов, отличающийс   тем, что, с целью повышени  быстродействи  и динамической точности преобразовани , формируют данные количества периодов частот . пропорциональных двум Эталонным и измер емому напр жени м, подсчиты-. вают разность количеств импульсов посто нной частоты за заданное количество периодов частот, пропорциональных первому эталонному и измер емому напр жени м, формируют первую частоту, пропорциональную произведению указанной разности на количество импvльcoв посто нной частоты за заданное количество периодов частоты, пропорциональной второму эталонному напр жению, подсчитывают разность количеств импульсов посто нной частоты за заданное количество периодов частот, пропорциональных первому и второму эталонным напр жени м , формируют вторую частоту, пропорциональную произведению второй разности на количество импульсов посто нной частоты за заданное количество периодов частоты, пропорциональной измер емому напр жению, и определ ют отношение первой и второй сформированных частот. 2.Устройство дл  осуществлени  способа по П.1, содержащее 1сточНИКИ двух эталонных и измер емого напр жений , соединенные соответственно через первый, второй и третий аналоговые ключи с входом преобразовател  напр жение-частота, блок управлени , три первых выхода которого соединены с вторыми входами аналоговых ключей и первыми входами первого, второго и третьего элементов И, причем выход первого элемента И соединен с суммируюглим входом первого счетчика, выход второго элемента И соединен с суммирующим входом второго счетчика, выход третьего элемента И соединен с суммирующим входом третьего счетчика, четвертый счетчик, п тый счетчик, выход которого соединен с входом блока управлени , генератор импульсов посто нной частоты, выход которого соединен с вторым входом третьего элемента И, первый двоичный умножитель, управл ющие входы которого соединены с выходами первого счетчика, второй двоичный умножитель, управл ющие входы которого соединешгл с выходами третьего счетчика, четвертый элемент И, о т личающеес  тем, что, с це лью повьшени  быстродействи  и : уменьшени  динамической погрешности в него введены третий двоичный умножитель , управл ющие входы которого соединены с выходами второго счетчика , а счетный вход - с выходом первого двоичного умножител , четвертый двоичный умножитель, управл ющие входы которого соединены с выходами четвертого счетчика, а счетный входс выходом второго двоичного умножител , п тый элемент И, один вход которого соединен с выходом четвертого двоичного умножител , а выходс входом п того счетчика, причем выход генератора импульсов посто нной частоты соединен с вторыми входами первого и второго элементов И и первого и второго двоичных умножителей , суммирующий и вычитающий входы четвертого счетчика соединены с выходами первого и второго элементов И соответственно, четвертый выход блока управлени  соединен с вторыми выходами четвертого и п того элементов И, первый вход четвертого элемента и соединен с выходсаи третьего двоичного умножител , выход преобразовател  напр жение-частота соединен с вторьлм входом блока управлени , а выход третьего элемента И - с вычитающим входом первого счетчика. Источники информации, прин тые во внимание при экспертизе 1.Патент США № 3633202, кл.340347 АД, опублик. 04.02.74.
2. 2.Авторское свидетельство СССР по за вке № 2866283/23 Кл. Н 03 к 13/20, 10.01.80.

   fui.i

   uz.i