Аналого-цифровой преобразователь

Предлагаемая полезная модель относится к электроизмерительной технике и может быть использована для построения аналого-цифровых преобразователей постоянного напряжения. Аналого-цифровой преобразователь, содержащий сумматор, первый вход которого является входом преобразователя, а выход соединен со входом интегратора. Выход интегратора соединен с первым аналоговым входом первого сравнивающего устройства, второй аналоговый вход которого подключен к общей шине, а выход соединен с первым входом микропроцессора и с управляющим входом переключателя. Выход переключателя подключен ко второму входу сумматора, а его входы подключены к выходам источника образцовых напряжений. Кроме того, цифровые выходы микропроцессора являются выходами преобразователя, а его второй вход связан с выходом генератора тактовых импульсов. В преобразователь введены делитель частоты и второе сравнивающее устройство, первый аналоговый вход которого соединен с выходом интегратора, второй аналоговый вход подключен к общей шине, а его вход синхронизации соединен с выходом генератора тактовых импульсов и входом делителя частоты. Выход делителя связан со входом синхронизации первого сравнивающего устройства. Кроме того, выход второго сравнивающего устройства соединен с третьим входом микропроцессора. Таким образом, за счет введения в состав АЦП делителя частоты и второго сравнивающего устройства, в предлагаемом АЦП происходит уменьшение максимальной методической абсолютной погрешности дискретности преобразования в число, равное коэффициенту деления делителя частоты.

Предлагаемая полезная модель относится к электроизмерительной технике и может быть использована для построения аналого-цифровых преобразователей (АЦП) постоянного напряжения.

Известен интегрирующий аналого-цифровой преобразователь на основе однополярного сигма-дельта модулятора, содержащий (Б.В.Чувыкин, Э.К.Шахов, В.Н.Ашанин, -АЦП: Синтез одноконтурных структур. Известия высших учебных заведений. Поволжский регион, Технические науки, 1, 2007. Стр 95, рис.2 а) сумматор (Сум), интегратор (Инт), сравнивающее устройство (СУ), генератор тактовых импульсов (ГТИ), микропроцессор (МП), ключ и однополярный источник образцового напряжения. Входное напряжение подается на первый вход сумматора, выход сумматора соединен со входом интегратора, выход интегратора соединен с первым аналоговым входом СУ, на второй аналоговый вход СУ подается опорное напряжение. Выход СУ соединен с МП и ключом, вход ключа соединен с источником образцового напряжения, а его выход связан со вторым входом сумматора. Выход генератора тактовых импульсов соединен с входом синхронизации СУ.

Однако указанный преобразователь может работать только с 11 однополярным входным напряжением.

Кроме того, известен АЦП (Б.В.Чувыкин, Э.К.Шахов, В.Н.Ашанин, -АЦП: Синтез одноконтурных структур. Известия высших учебных заведений. Поволжский регион, Технические науки, 1, 2007. Стр.92, рис.1 а) являющийся прототипом предлагаемой полезной модели. Он содержит сумматор, интегратор, сравнивающее устройство, микропроцессор, генератор тактовых импульсов, переключатель и двуполярный источник образцовых напряжений (ИОН). Входное напряжения подается на первый вход сумматора, выход сумматора соединен со входом интегратора, выход интегратора соединен с первым аналоговым входом СУ, второй аналоговый вход СУ подключен к общей шине, выход ГТИ соединен со входом синхронизации СУ и вторым входом МП, выход СУ соединен с первым входом МП и управляющим входом переключателя, входы переключателя соединены с выходами источника образцовых напряжений, а выход соединен со вторым входом сумматора.

Однако в указанном преобразователе существует большая максимальная методическая абсолютная погрешность дискретности преобразования, обусловленная тем, что момент начала измерения определяется случайным образом, а момент конца измерения - через определенное время. Максимальное значение разности выходного напряжения интегратора в начале и конце интервала измерения равна четырем единицам дискретности преобразователя (Б.В.Чувыкин, Э.К.Шахов, В.Н.Ашанин, -АЦП: Синтез одноконтурных структур. Известия высших учебных заведений. Поволжский регион, Технические науки, 1, 2007. Формула 6 стр.93).

Задачей предлагаемой полезной модели является уменьшение максимальной методической абсолютной погрешности дискретности преобразования.

Поставленная задача достигается тем, что в аналого-цифровой преобразователь, содержащий сумматор, первый вход которого является входом преобразователя, а выход соединен со входом интегратора, выход которого соединен с первым аналоговым входом первого сравнивающего устройства, второй аналоговый вход которого подключен к общей шине, а выход соединен с первым входом микропроцессора и с управляющим входом переключателя, выход которого подключен ко второму входу сумматора, а его входы подключены к выходам источника образцовых напряжений, кроме того, цифровые выходы микропроцессора являются выходами преобразователя, а его второй вход связан с выходом генератора тактовых импульсов, введены делитель частоты и второе сравнивающее устройство, первый аналоговый вход которого соединен с выходом интегратора, второй аналоговый вход подключен к общей шине, а его вход синхронизации соединен с выходом генератора тактовых импульсов и входом делителя частоты, выход которого связан со входом синхронизации первого сравнивающего устройства, кроме того, выход второго сравнивающего устройства соединен с третьим входом микропроцессора.

На ФИГ.1 приведена функциональная схема предлагаемого аналого-цифрового преобразователя.

Предлагаемый АЦП содержит:

1 - вход АЦП;

2 - сумматор (Сум);

3 - интегратор (Инт);

4 - сравнивающее устройство первое (CУ₁);

5 - сравнивающее устройство второе (СУ₂);

6 - делитель частоты (ДЧ);

7 - генератор тактовых импульсов (ГТИ);

8 - источник образцовых напряжений (ИОН);

9 - переключатель (П);

10 - микропроцессор (МП);

11 - цифровой выход АЦП.

Первый вход сумматора 2 является входом преобразователя 1, выход сумматора 2 соединен со входом интегратора 3. Выход интегратора 3 соединен с первыми аналоговыми входами СУ₁ 4 и СУ₂ 5, вход синхронизации СУ₁ 4 соединен с выходом делителя частоты 6, а вход синхронизации СУ₂ 5 соединен с выходом ГТИ 7, выходы СУ₁ 4 и СУ ₂ 5 соединены с первым и третьим входом МП 10, соответственно. Выход ГТИ 7 соединен со входом делителя частоты 6 и со вторым входом МП 10. Вторые аналоговые входы CУ₁ 4 и СУ ₂ 5 подключены к общей шине. Выход СУ₁ 4 соединен с управляющим входом переключателя 9, входы переключателя 9 соединены с выходами источника образцовых напряжений 8, выход переключателя 9 соединен со вторым входом сумматора 2.

Сумматор выполнен на резисторах, которые включены на входе интегратора. Интегратор может быть выполнен на операционном усилителе, например, AD711, в цепь обратной связи которого включен конденсатор. В качестве сравнивающего устройства может быть использован компаратор, например, AD8564. Генератор тактовых импульсов - кварцевый резонатор ADR510. В качестве двухпозиционного переключателя могут быть использованы два ключа в одном корпусе, например, ADG721BRM. В качестве микропроцессора может быть применен микроконтроллер ATmega8L. В качестве источника опорных напряжений может быть использована микросхема AD1580. Делитель частоты может быть выполнен на двоичном счетчике импульсов SN74LS292.

Предлагаемый АЦП (Фиг.1) работает следующим образом. Сумматор 2 складывает напряжение с выхода переключателя 9 (U_П, Фиг.2) и входное напряжение, поступающее на вход АЦП 1. Выходные напряжения сумматора 2 интегрируются интегратором 3. Напряжение с выхода интегратора 3 (U_И, Фиг.2) подается на CУ₁ 4, где сравнивается с нулем. Сравнение происходит в моменты синхронизации, которые задаются импульсами с выхода делителя частоты 6. Первое сравнивающее устройство (CУ₁ 4) управляет переключателем 9 своими выходными напряжениями (U _CY1, Фиг.2) следующим образом: если напряжение на выходе интегратора 3 (U_И, Фиг.2) в момент прихода импульса с делителя частоты 6 больше нуля, то переключатель 9 подключает ко входу сумматора 2 выходное напряжение ИОН минус Е₀ , если же напряжение в момент прихода импульса с делителя частоты 6 на выходе интегратора 3 меньше нуля, то переключатель 9 подключает ко входу сумматора 2 выходное напряжение ИОН плюс Е₀ . Напряжение U_И с выхода интегратора 3 также подается на СУ₂ 5, где сравнивается с нулем. Сравнение происходит в моменты синхронизации, которые задаются импульсами с выхода ГТИ 7. Причем, на выходах СУ₁ 4 и СУ₂ 5 (U_CУ2, Фиг.2) напряжение будет соответствовать логической 1, если напряжение на выходе интегратора 3 будет больше нуля, в моменты прихода импульсов с выхода ДЧ 6 и ГТИ 7, соответственно. Напряжение на выходах СУ₁ 4 и СУ₂ 5 будет соответствовать логическому 0, если напряжение на выходе интегратора 3 будет меньше нуля, в моменты прихода импульсов с выхода ДЧ 6 и ГТИ 7, соответственно. Логические единицы и нули с выхода CУ₁ 4 и СУ₂ 5 подаются на первый и третий входы МП 10, соответственно. Микропроцессор 10 задает начало такта преобразования при переходе выходного напряжения СУ ₂ 5, например, из 1 в 0 в момент времени t_1н (Фиг.2). В течение такта преобразования МП 10 считает выходные имульсы ГТИ 7, положительными, когда на выходе СУ₁ 4 находится 1, и отрицательными, когда на выходе CУ₁ 4 находится 0. Причем в момент запускания начала такта преобразования МП 10 считает показания положительных и отрицательных импульсов и сбрасывает в ноль предыдущие показания положительных и отрицательных импульсов. Окончание такта преобразования МП 10 осуществляет при переходе СУ₂ 5, например, из 1 в 0 в некоторый момент времени t_2к (Фиг.2). Таким образом МП 10 подсчитывает импульсы с выхода ГТИ 7 как положительные, если они соответствовали логической 1 на выходе СУ₁ 4, и - как отрицательные, если они соответствовали лоническому 0 на выходе СУ₁ 4. Кроме того МП 10 осуществляет подсчет импульсов с выхода ГТИ 7 в течение такта преобразования. Следующий такт преобразования может начаться в момент конца предыдущего такта. Результатом преобразования, который выдается на цифровом выходе АЦП 11, и вычисляется микропроцессором 10, является образцовое напряжение умноженное на разность положительных и отрицательных импульсов, деленое на сумму положительных и отрицательных импульсов. Максимальная методическая абсолютная погрешности дискретности преобразования в предложенной полезной модели равна двум, деленным на коэффициент деления делителя частоты 6.

Таким образом, за счет введения в состав АЦП делителя частоты и второго сравнивающего устройства, в предлагаемом АЦП происходит уменьшение максимальной методической абсолютной погрешности дискретности преобразования в число, равное коэффициенту деления делителя частоты. При выборе коэффициента деления, например, равным 128, во столько же раз уменьшается максимальная абсолютная методическая погрешность дискретности преобразования предлагаемого АЦП по сравнению с прототипом.

Аналого-цифровой преобразователь, содержащий сумматор, первый вход которого является входом преобразователя, а выход соединен со входом интегратора, выход которого соединен с первым аналоговым входом первого сравнивающего устройства, второй аналоговый вход которого подключен к общей шине, а выход соединен с первым входом микропроцессора и с управляющим входом переключателя, выход которого подключен ко второму входу сумматора, а его входы подключены к выходам источника образцовых напряжений, кроме того, цифровые выходы микропроцессора являются выходами преобразователя, а его второй вход связан с выходом генератора тактовых импульсов, отличающийся тем, что в него введены делитель частоты и второе сравнивающее устройство, первый аналоговый вход которого соединен с выходом интегратора, второй аналоговый вход подключен к общей шине, а его вход синхронизации соединен с выходом генератора тактовых импульсов и входом делителя частоты, выход которого связан со входом синхронизации первого сравнивающего устройства, кроме того, выход второго сравнивающего устройства соединен с третьим входом микропроцессора.