Интегрирующий аналого-цифровой преобразователь

 

Изобретение относится к импульсной технике, в частности к преобразователям напряжения в цифровой код с интегрированием преобразуемого напряжения, и может быть использовано в устройствах сбора аналоговой информации систем контроля и управления, выполняемых на средствах вычислительной техники. Целью изобретения является повышение быстродействия преобразователя за счет уменьшения времени компенсационного интегрирования и получения результата преобразования. Для этого в аналого-цифровой преобразователь, содержащий интегратор, нуль-орган, компаратор, источник опорного напряжения, инвертор, три ключа, переключатель, резистивный элемент, четыре счетчика, делитель частоты, блок управления и элементы И и ИЛИ, введены коммутатор кодов, второй делитель частоты, четыре элемента И и элемент ИЛИ. 1 з. п. ф-лы, 3 ил.

Изобретение относится к импульсной технике, в частности к преобразователям напряжения в цифровой код с интегрированием входного и опорного напряжений, и может быть использовано в устройствах сбора аналоговой информации различных систем, выполняемых на средствах вычислительной техники.

Известны аналого-цифровые преобразователи (АЦП), которые содержат интегратор, источник опорного напряжения, ноль-орган, два триггера, генератор импульсов и счетчик [1] .

В этих АЦП преобразование выполняется в два такта: сначала за T_o= (f_o - частота генератора импульсов) интегрируется входной сигнал U_х, а затем полученное напряжение разынтегрируется за T_x= с помощью опорного напряжения U_о, откуда k U_x T_o = k U_o T_x, где k - коэффициент интегратора, x= N_o.

Для подавления помех, наложенных на U_х, длительность первого такта должна быть равна (кратна) периоду помехи T₁ = T_n, что в этих АЦП недопустимо, так как это приводит к появлению погрешности в результате преобразования из-за изменения Т₁ во времени.

Эти недостатки устранены в АЦП [2] , который содержит первый счетчик, информационные выходы которого являются выходной шиной, первый ключ, информационный вход которого является входной шиной, управляющий вход соединен с первым выходом блока управления и объединен с первым входом первого элемента И, а выход объединен с выходом второго ключа и через резистивный элемент подключен к входу интегратора и к информационному входу третьего ключа, причем управляющий вход второго ключа соединен с вторым выходом блока управления, а его информационный вход соединен с выходом переключателя, управляющий вход которого соединен с третьим выходом блока управления, первый информационный вход через аналоговый инвертор соединен с его вторым информационным входом, который соединен с выходом источника опорного напряжения и объединен с первым входом компаратора, выход которого соединен со счетным входом второго счетчика и с первым входом первого элемента ИЛИ, а второй вход соединен с выходами третьего ключа и интегратора и объединен с первым входом нуль-органа, второй вход которого соединен с входом источника опорного напряжения, который является шиной нулевого потенциала, выход нуль-органа соединен с первым входом блока управления, управляющий вход третьего ключа соединен с выходом первого элемента ИЛИ, второй вход которого соединен с четвертым выходом блока управления и объединен с первым входом второго элемента И, выход которого подключен к входам установки в ноль второго и третьего счетчиков, а второй вход объединен с вторым входом блока управления, входом установки в ноль первого счетчика, который является входной шиной синхронизации, и с первым входом второго элемента ИЛИ, выход которого соединен с входом установки в ноль первого делителя частоты, информационные входы которого подключены к выходам соответствующих разрядов третьего счетчика, выход - к первому входу третьего элемента И, импульсный вход подключен к пятому выходу блока управления и объединен с вторым входом первого элемента И, выход которого соединен с первым входом третьего элемента ИЛИ, выход которого подключен к счетному входу первого счетчика, выход переполнения которого соединен со счетным входом третьего счетчика, единичные выходы соответствующих старших разрядов второго счетчика подсоединены к входам четвертого элемента ИЛИ, выход которого соединен с третьим входом блока управления, и четвертый счетчик, при этом информационный и управляющие входы третьего ключа, соединены соответственно с выходом цифроаналогового преобразователя (ЦАП) и с вторым выходом блока управления, шестой и первый выходы которого подсоединены соответственно к вторым входам второго счетчика и третьего элемента И, первый вход которого соединен с вторым входом третьего элемента ИЛИ, а выход - со счетным входом четвертого счетчика, вход установки нуля которого подсоединен к выходу переполнения первого счетчика и к второму входу второго элемента ИЛИ, а выходы разрядов - к информационным входам ЦАП, вход которого соединен с выходом переключателя, а последний вход четвертого элемента ИЛИ соединен с третьим выходом блока управления.

В этом АЦП по сравнению с аналогами время интегрирования Т_изадается по внешним синхронизирующим импульсам, интервал времени между которыми выбирается в зависимости от периода частоты помехи Т_n или ее гармоник. При этом, если за Т_и выходное напряжение интегратора превышает величину его рабочего диапазона, то срабатывает компаратор и выполняется разряд конденсатора интегратора и продолжается дальнейшее интегрирование U_х. За время Т_и определяются два кода р и , обеспечивающие соотношение Т_и = (pN_o + n) t_o; где t_o - квант работы АЦП в первом такте; N_o= и Т_о - наименьшее время интегрирования U_х; q - число срабатываний компаратора. Во втором такте для выполнения разынтегрирования и компенсационного интегрирования используется напряжение U_к= N_o+ , где - квант АЦП, равный U_o/N_o. Сначала разынтегрируется остаточное напряжение U₁ интегратора за время Т_р, а затем q раз выполняется интегрирование U_k до напряжения U_o = k U_k T_k, что занимает общее время Т₂ = T_p + q T_k. Время Т₂ преобразуется в код Х_р результата преобразования с временным квантом pt_o: X_p= .

Величина U₁ + q U_о равна напряжению, получаемому на выходе интегратора в первом такте, т. е.

U_и= kU_xT_и= kU_xpN_o+ t_o, поэтому получают X_p= , т. е. Х_р является точным результатом преобразования, который не зависит от величины Т_и.

Но данный АЦП имеет недостаток, который состоит в том, что во втором такте для получения Х_р затрачивается большое время на выполнение компенсационного интегрирования (qТ_к) и время этого такта почти такое же, как время интегрирования U_х в первом такте. Такие затраты времени существенно снижают быстродействие АЦП.

На уменьшение этих затрат времени и устранение недостатка прототипа направлено данное предложение, целью которого является повышение быстродействия АЦП.

Цель достигается тем, что в интегрирующий АЦП, содержащий первый счетчик, информационные выходы которого являются выходной шиной, первый ключ, информационный вход которого является входной шиной, управляющий вход соединен с первым выходом блока управления и объединен с первым входом первого элемента И, а выход объединен с выходом второго ключа и через резистивный элемент подключен к входу интегратора и к информационному входу третьего ключа, причем управляющий вход второго ключа соединен с вторым выходом блока управления, а его информационный вход соединен с выходом переключателя, управляющий вход которого соединен с третьим выходом блока управления, первый информационный вход через аналоговый инвертор соединен с его вторым информационным входом, который соединен с выходом источника опорного напряжения и объединен с первым входом компаратора, выход которого соединен со счетным входом второго счетчика и с первым входом первого элемента ИЛИ, а второй вход соединен с выходами третьего ключа и интегратора и объединен с первым входом нуль-органа, второй вход которого соединен с входом источника опорного напряжения, который является шиной нулевого потенциала, выход нуль-органа соединен с первым входом блока управления, управляющий вход третьего ключа соединен с выходом первого элемента ИЛИ, второй вход которого соединен с четвертым выходом блока управления и объединен с первым входом второго элемента И, выход которого подключен к входам установки в ноль второго и третьего счетчиков, а второй вход объединен с вторым входом блока управления, входом установки в ноль первого счетчика, который является входной шиной синхронизации, и с первым входом второго элемента ИЛИ, выход которого соединен с входом установки в ноль первого делителя частоты, информационные входы которого подключены к выходам соответствующих разрядов третьего счетчика, выход - к первому входу третьего элемента И, импульсный вход подключен к пятому выходу блока управления и объединен с вторым входом первого элемента И, выход которого соединен с первым входом третьего элемента ИЛИ, выход которого подключен к счетному входу первого счетчика, выход переполнения которого соединен со счетным входом третьего счетчика, единичные выходы соответствующих старших разрядов второго счетчика подсоединены к входам четвертого элемента ИЛИ, выход которого соединен с третьим входом блока управления, и четвертый счетчик, введены второй делитель частоты, коммутатор кодов, с четвертого по седьмой элементы И и пятый элемент ИЛИ, первый вход которого объединен с четвертым входом блока управления и с первыми входами третьего и четвертого элементов И, второй вход соединен с выходом второго элемента ИЛИ, а выход - с входом установки в ноль второго делителя частоты, выход которого соединен с первыми входами пятого и шестого элементов И, а информационные входы - с соответствующими выходами коммутатора кодов, вход управления которого объединен с вторым входом шестого элемента И и подключен к шестому выходу блока управления, информационные входы первого кода - к соответствующим выходам разрядов четвертого счетчика, а информационные входы второго кода - к соответствующим единичным выходам старших разрядов и младшему разряду второго счетчика, выход младшего разряда объединен с первым входом седьмого элемента И, остальные входы которого подсоединены к нулевым выходам старших разрядов второго счетчика, а выход - к пятому входу блока управления и к второму входу четвертого элемента И, третий вход которого соединен с третьим выходом блока управления и с вторым входом пятого элемента И, а выход - с вторым входом третьего элемента ИЛИ, третий и четвертый входы которого подключены к выходам третьего и пятого элементов И, третий вход последнего из которых объединен с третьим входом блока управления, пятый, седьмой и восьмой выходы которого подсоединены соответственно к импульсному входу второго делителя частоты, к второму входу третьего элемента И и к второму входу второго элемента ИЛИ, шестой и седьмой входы - к выходам соответственно компаратора и второго элемента И, а второй вход объединен с входом установки в ноль четвертого счетчика, счетный вход которого соединен с выходом шестого элемента И.

Блок управления выполнен на четырех триггерах, элементе задержки, шести элементах И, четырех элементах ИЛИ, формирователе импульсов и управляемом генераторе импульсов, выход которого является пятым выходом блока, а вход соединен с выходом первого элемента ИЛИ, первый вход которого является вторым входом блока и объединен с первым входом первого элемента И, а второй вход является восьмым выходом блока, через формирователь импульсов подключен к нулевому выходу первого триггера и объединен с первым входом второго элемента И, выход которого является четвертым выходом блока, а второй, третий и четвертые входы соединены с нулевыми выходами второго, третьего и четвертого триггеров соответственно, единичный выход последнего из которых является первым выходом блока и соединен с вторым входом первого элемента И, выход которого подключен к первым входам третьего, четвертого и пятого элементов И и к нулевому входу четвертого триггера, единичный вход которого является седьмым входом блока, а вход установки в исходное состояние объединен с одноименными входами остальных триггеров и подключен к выходу элемента задержки, при этом выход второго элемента ИЛИ является вторым выходом блока, а его первый и второй входы - соответственно третьим и седьмым выходами блока, которые соответственно соединены с единичными выходами соответственно первого и второго триггеров, последний из которых соединен с первым входом шестого элемента И, выход и второй вход которого подключены соответственно к первому входу третьего элемента ИЛИ и к выходу четвертого элемента ИЛИ, первый и второй входы которого являются соответственно третьим и пятым входами блока, которые объединены с вторыми входами соответственно пятого и четвертого элементов И, выходы которых подключены соответственно к единичному входу третьего триггера и к второму входу третьего элемента ИЛИ, третий вход которого является шестым выходом блока и соединен с единичным выходом третьего триггера, нулевой вход которого является четвертым входом блока, первым входом которого является нулевой вход второго триггера, который объединен с вторым входом третьего элемента И, выход которого соединен с единичным входом второго триггера, единичный вход первого триггера соединен с выходом третьего элемента ИЛИ, а его нулевой вход является шестым входом блока.

Среди известных технических решений не обнаружены АЦП, которые содержат признаки, сходные с отличительными признаками заявляемого технического решения.

В предлагаемом АЦП задача по устранению недостатка прототипа решается путем уменьшения времени компенсационного интегрирования. Это достигается за счет формирования различных временных квантов работы АЦП, которые используются при выполнении разынтегрирования и компенсационного интегрирования. Эти кванты соответственно равны t_и и t_q = t_и/q, а величина t_и формируется с помощью временных квантов t по результату измерения времени Т_и интегрирования преобразуемого сигнала, который получается при использовании также квантов t. Преобразование времени разынтегрирования Т_р и компенсационного интегрирования Т_к с квантами t_ии t_q в коды Х₁ и Х₂ и их суммирование позволяют получить результат преобразования Х_р, который не зависит от величины Т_и и t, а получен, как показано ниже, за значительно меньшее время по сравнению с прототипом, что повышает быстродействие предлагаемого АЦП.

На фиг. 1, 2 и 3 приведены блок-схемы АЦП, его блока управления и временная диаграмма их работы, где 1 и 2 - входные шины преобразуемого напряжения U_х и импульсов синхронизации, задающих время Т_и измерения, 3 - выходная шина результата преобразования, 4 - интегратор, например, выполненный на операционном усилителе с конденсатором в цепи отрицательной обратной связи, 5 - резистивный элемент, 6 - источник опорного напряжения - U_o, 7 и 8 - нуль-орган и компаратор, 9 - аналоговый инвертор, 10 - переключатель, выход которого подсоединен к второму информационному входу при отсутствии управляющего сигнала, а при его наличии к первому информационному входу, 11-13 - с первого по третий ключи, информационные входы которых подсоединяются к выходам при наличии управляющих сигналов, 14-17 - с первого по четвертый счетчики, 18 и 19 - первый и второй делители частоты, 20 - коммутатор кодов, на выходы которого проходят сигналы с входов первого кода при отсутствии сигнала управления, а при его наличии сигналы с выходов второго кода, 21-27 - с первого по седьмой элементы И, 28-32 - с первого по пятый элементы ИЛИ, 33 - блок управления, 34-37 - с первого по четвертый триггеры, 38 и 39 - управляемый генератор и формирователь импульсов, 40-45 - с первого по шестой элементы И, 46-49 - с первого по четвертый элементы ИЛИ, 50 - элемент задержки, 51 - импульсы синхронизации шины 2, 52-54 - импульсы на выходах элементов И 22, 40 и 41, 55-58 - сигналы на единичных выходах триггеров 37, 35, 34 и 36, 59 - сигнал на выходе элемента ИЛИ 47, 60 и 61 - напряжение на выходе интегратора 4 и источника 6, 62 и 63 - сигналы на выходах компаратора 8 и нуль-органа 7, 64, 65 и 66 - сигналы на выходах элементов ИЛИ 31, И 27 и ИЛИ 46.

Входная шина 1 соединена с входом ключа 11, шина 2 - с входом установки в ноль счетчиков 14 и 17, с первым и вторым входами соответственно элементов ИЛИ 29 и И 22 и с вторым входом блока 33, шина 3 - с выходами счетчика 14, счетный вход которого соединен с выходом элемента ИЛИ 30, а выход переполнения - со счетным входом счетчика 16. Вход установки в ноль счетчика 16 подсоединен к одноименному входу счетчика 15, к выходу элемента И 22 и к седьмому входу блока 33, выходы - к входам делителя 18, импульсный вход которого соединен с одноименным входом делителя 19, с вторым входом элемента И 21 и с пятым выходом блока 33, вход установки в ноль - с выходом элемента ИЛИ 29, а выход - с четвертым входом блока 33, с первыми входами элементов И 23 и 24 и ИЛИ 32. Второй вход элемента ИЛИ 32 соединен с выходом элемента ИЛИ 29, а выход - с входом установки в ноль делителя 19, выход которого соединен с первыми входами элементов И 25 и 26, входы - с выходами коммутатора 20. Входы первого кода коммутатора соединены с выходами счетчика 17, входы второго кода - с единичными выходами счетчика 15, а вход управления - с шестым выходом блока 33 и с вторым входом элемента И 26, выходы которого соединен со счетным входом счетчика 17. Единичный выход младшего разряда счетчика 15 и нулевые выходы его старших разрядов соединены с входами элемента И 27, а единичные выходы его старших разрядов - с входами элемента ИЛИ 31, выход которого соединен с третьими входами блока 33 и элемента И 25. Выход элемента И 27 соединен с пятым входом блока 33 и с вторым входом элемента И 24, третий вход которого соединен с управляющим входом переключателя 10, с третьим выходом блока 33 и с вторым входом элемента И 25, а выход - с вторым входом элемента ИЛИ 30. Первый, третий и четвертый входы последнего соединены с выходами элементов И 21, 23 и 25, первый вход первого из них соединен с первым выходом блока 33 и с входом управления ключа 11, второй вход второго - с седьмым выходом блока 33, второй выход которого соединен с входом управления ключа 12. Выход ключа 12 соединен с выходом ключа 11 и через резистор 5 с входами интегратора 4 и ключа 13, а вход - с выходом переключателя 10, первый вход которого соединен через инвертор 9 с вторым входом, который объединен с первым входом компаратора 9 и с выходом источника 6. Вход источника 6 соединен с шиной нулевого потенциала и с вторым входом нуль-органа 7, первый вход которого соединен с выходами интегратора 4 и ключа 13 и с вторым входом компаратора 8, а выход - с первым входом блока 33. Шестой вход блока 33 соединен с выходом компаратора 8, со счетным входом счетчика 15 и с первым входом элемента ИЛИ 28, выход которого соединен с входом управления ключа 13, а второй вход - с первым входом элемента И 22 и с четвертым выходом блока 33, восьмой выход которого подсоединен к второму входу элемента ИЛИ 29.

В блоке 33 пятым выходом является выход генератора 38, вход которого соединен с выходом элемента ИЛИ 46. Первый вход элемента ИЛИ 46 является вторым входом блока и соединен с первым входом элемента И 40, а второй вход является восьмым выходом блока и через формирователь 39 подсоединен к нулевому выходу триггера 34 и к первому входу элемента И 41, выход которого является четвертым выходом блока, а второй, третий и четвертый входы соединены с нулевыми выходами триггеров 35, 36 и 37. Единичный выход последнего является первым выходом блока и соединен с вторым входом элемента И 40, выход которого подсоединен к первым входам элементов И 42, 43 и 44 и к нулевому входу триггера 37. Единичный вход триггера 37 является седьмым входом блока, а вход установки в исходное состояние объединен с одноименными входами остальных триггеров и подсоединен к выходу элемента 50. Выход элемента ИЛИ 47 является вторым выходом блока, а его первый и второй входы - соответственно третьим и седьмым выходами блока, которые соединены с единичными выходами соответственно триггеров 34 и 35. Последний из них объединен с первым входом элемента И 45, выход и второй вход которого подсоединены соответственно к первому входу элемента ИЛИ 48 и к выходу элемента ИЛИ 49. Первый и второй входы элемента ИЛИ 49 являются соответственно третьим и пятым входами блока, которые подсоединены к вторым входам соответственно элементов И 44 и 43. Выходы последних подсоединены соответственно к единичному входу триггера 36 и второму входу элемента ИЛИ 48, третий вход которого является шестым выходом блока и соединен с единичным выходом триггера 36. Нулевой вход триггера 36 является четвертым входом блока, первым входом которого является нулевой вход триггера 35, который объединен с вторым входом элемента И 42. Выход элемента И 42 подсоединен к единичному входу триггера 35, единичный вход триггера 34 соединен с выходом элемента ИЛИ 48, а его нулевой вход является шестым входом блока.

Предложенный АЦП работает следующим образом.

После включения питания на время переходных процессов на шинах питания элемент 50 задержки поддерживает на выходе сигнал с нулевым уровнем. Это обеспечивает установку в исходное нулевое состояние триггеров 34-37. Сигналы с их нулевых выходов с помощью элемента И 41 образуют сигнал 54 на четвертом выходе блока 33, который проходит через элемент ИЛИ 28 и с помощью ключа 13 поддерживает в исходном состоянии интегратор 4, а также разрешает работу элемента И 22. Отсутствие сигналов на остальных выходах блока 33 (кроме импульсов генератора 38 на пятом выходе) запрещает работу элементов И 21, 23-26 и соответственно счетчиков 14, 16 и 17. В этом состоянии АЦП готов к началу преобразования, которое выполняется по внешним импульсам синхронизации 51. Эти импульсы устанавливают в ноль счетчики 14 и 17, а также синхронизируют начало очередного импульса в генераторе 38, пройдя через элемент ИЛИ 46 (импульс 66). Первый из импульсов 51 проходит через элемент И 22, образуя импульс 52, который устанавливает в ноль счетчики 15 и 16 и в единицу триггер 37.

С установкой в единицу триггера 37 появляется сигнал 55 и начинается интегрирование U_х интегратором 4, так как сигнал 54 снимается, ключ 13 размыкается, а ключ 11 подключает U_х через резистор 5 к интегратору 4. Сигнал 55 разрешает работу элемента И 21, через который проходят импульсы генератора 38, имеющие период повторения t, на вход счетчика 14 (через элемент ИЛИ 30). Емкость счетчика 14 равна N_o, и на его выходе появляется импульс переполнения через время t_o = N_ot, которое подсчитывается счетчиком 16.

Процесс интегрирования U_х и подсчета импульсов t_о продолжается до появления второго импульса 51, по которому заканчивается время измерения U_х, равное интервалу Т_и между этими двумя импульсами 51.

За время Т_и в счетчике 16 получен код N_и= = , а в интеграторе - выходное напряжение 60, равное -U_и = k U_х Т_и, которое может при больших величинах U_х и Т_и превышать его рабочий диапазон, что недопустимо.

Для исключения этого напряжения -U сравнивается с помощью компаратора 8 с напряжением 61, равным -U_о и рабочему диапазону интегратора 4. При -U = -U_о компаратор 8 срабатывает, его выходной импульс 62 проходит через элемент ИЛИ 28 и с помощью ключа 13 разряжает конденсатор интегратора 4.

Процесс интегрирования U_х продолжается с исходного состояния интегратора 4, а импульсы 62 подсчитываются счетчиком 15. В зависимости от величин U_х и Т_и, наименьшая величина которого равна N_ot_o, может происходить различное число q срабатываний компаратора 8. На фиг. 3 в качестве примера показаны три случая: q₁ = 3, q₂ = 1 и q₃ = 0.

За время Т_и интегрирования U_х напряжение U_и на выходе интегратора 4 может изменяться q раз по U_о и к окончанию Т_и на его выходе может остаться напряжение U₁, т. е. общее изменение этого напряжения равно U_и = q U_o + U₁ = k U_х Т_и.

С окончанием Т_и напряжение U₁ может быть равно нулю при U_х = 0 или при совпадении импульсов 62 с моментом окончания Т_и. Из этих состояний интегратора 4 с помощью нуль-органа 7 образуется сигнал 63, который используется для управления дальнейшей работой АЦП и при разынтегрировании U₁ напряжением -U_о.

По окончании Т_и дальнейший процесс получения результата преобразования путем разынтегрирования U₁ и компенсационного интегрирования U_о выполняется в последовательности, определяемой тремя сигналами: 63 с выхода нуль-органа 7, 65 и 64 с выходов соответственно элементов И 27 и ИЛИ 31, которые по коду q счетчика 15 формируют эти сигналы для q = 1 и для q 2. Кроме приведенных на фиг. 3 трех примеров соотношений этих сигналов могут быть еще три случая, когда сигнал 63 имеет нулевой уровень и при отсутствии одного из сигналов 65 или 64, а также при отсутствии их обоих.

С учетом этих шести комбинаций сигналов в блоке 33 формируются сигналы управления на выполнение режимов разынтегрирования и компенсационного интегрирования, а также сигналы управления счетчиком 17, коммутатором 20 кодов и делителем 19 частоты, которые формируют различные временные кванты t_и и t_q для этих режимов работы АЦП при преобразовании их длительностей в коды, сумма которых представляет собой результат преобразования.

Окончание Т_и происходит по второму импульсу 51, который проходит через элемент И 40 и образует импульс 53. Этот импульс устанавливает в ноль триггер 37, его сигнал 55 снимается, прекращаются интегрирование U_хи подсчет импульсов генератора 38 счетчиком 14. Импульс 53 проходит через те элементы И 42, 43 и 44, работа которых разрешена сигналами 63, 65 и 64, на единичные входы триггеров 35, 34 и 36.

Для случая наличия сигналов 63 и 64 (первый приведенный пример на фиг. 3 с q = 3) импульс 53 проходит через элементы И 42 и 44 и устанавливает в единицу триггеры 35 и 36. Сигнал 56 первого из них разрешает работу элементов И 23 и 45 и, пройдя через элемент ИЛИ 47 (сигнал 59), с помощью ключа 12 подключает к резистору 5 и далее к интегратору 4 напряжение -U_о с выхода источника 6, которое прошло на выход переключателя 10, так как на его управляющем входе сигнал с третьего выхода блока 33 отсутствует. В интеграторе начинается разынтегрирование остаточного напряжения U₁ напряжением -U_о. Этот процесс продолжается до момента получения равенства -U₁ = -k U_oT_p, когда выходной сигнал 63 нуль-органа снимается и устанавливает в ноль триггер 35, снимая сигнал 56.

В течение Т_р счетчик 14 подсчитывает импульсы с выхода делителя 18, которые проходят на его счетный вход через элементы И 23 и ИЛИ 30. На импульсный вход делителя 18 поступают от генератора 38 импульсы с периодом t, число которых делится на величину кода N_и= , поступающего с выходов счетчика 16, и на выходе делителя 18 появляются импульсы с периодом повторения t_и = N_иt = Т_и/N_о.

Делитель 18 частоты может быть, например, выполнен на основе счетчика, выходы разрядов которого соединены с первыми входами схемы сравнения кодов. Ее вторые входы являются информационными входами делителя, а выход соединен с первым входом элемента И, второй вход которого соединен через элемент задержки с входом делителя и со счетным входом счетчика, а выход является выходом делителя и соединен с первым входом элемента ИЛИ, выход которого подсоединен к входу установки в ноль счетчика, а второй вход является входом установки в ноль делителя. При получении в счетчике делителя 18 кода N_и, т. е. через время t_и после установки в ноль, схема сравнения кодов разрешает прохождение импульса от элемента задержки на выход. Этот же импульс через элемент ИЛИ устанавливает ноль в счетчике, и процесс деления числа импульсов на N_ипродолжается с получением выходных импульсов с периодом повторения t_и. При подаче импульса на вход установки в ноль делителя осуществляется его синхронизация, обеспечивающая появление первого импульса на выходе делителя через время t_и независимо от состояния, в котором находился счетчик перед поступлением импульса синхронизации.

В качестве синхронизирующих импульсов перед началом разынтегрирования для делителя 18 используются импульсы 51, которые проходят через элемент ИЛИ 29. В результате подсчета импульсов с выхода делителя 18 за время Т_р в счетчике 14 получен код X₁= = С установкой в единицу триггера 36 его сигнал 58 разрешает работу элемента И 26 и подключает с помощью коммутатора 20 код с выхода счетчика 15 на входы делителя 19 частоты, который выполнен аналогично делителю 18 и так же, как он, устанавливается в ноль импульсами 51, проходящими через элемент ИЛИ 32. На выходе делителя 19 формируются импульсы с периодом повторения t₁ = qt, которые проходят через элемент И 26 на счетный вход счетчика 17, установленного в ноль импульсами 51.

Длительность сигнала 58 равна t_и, так как триггер 36 устанавливается в ноль первым импульсом с выхода делителя 18. За это время в счетчике 17 получен код N_q= = = .

Сигналы 58 и 56 (последний через элемент И 45, работа которого разрешена сигналом 64, прошедшим через элемент ИЛИ 49), поступают на входы элемента ИЛИ 48, на выход которого проходит сигнал с наибольшей длительностью, и его снятие устанавливает в единицу триггер 34. Его сигнал 57 проходит через элемент ИЛИ 47 и оставляет включенным ключ 12, он поступает также на управляющий вход переключателя 10, подключая к его выходу напряжения U_о с выхода инвертора 9, и на входы элементов И 24 и 25.

В интеграторе 4 начинается компенсационное интегрирование напряжения U_о, которое продлится в течение времени Т_к до срабатывания компаратора 8 при равенстве напряжений -U_и = -U_o = -k U_о Т_к. Выходной импульс 62 компаратора 8 устанавливает в ноль триггер 34, сигнал 57 снимается и компенсационное интегрирование заканчивается. На его выполнение требуется время T_k= = 1/k.

С появлением сигнала 57 по снятии сигнала с нулевого выхода триггера 34 запускается формирователь 39 и его импульс синхронизирует работу генератора 38 (импульсы 66) и делителей 18 и 19 частоты (через элементы ИЛИ 29 и 32).

На информационные входы делителя 19 с помощью коммутатора 20 подается код N_q с выходов счетчика 17, так как сигнал 58 на его управляющем входе отсутствует. На выходе делителя 19 формируются импульсы, период повторения которых равен t_q= N_qt= t= = = .

Для исключения накапливаемой в процессе формирования t_q погрешности от ошибки квантования в N_q, которая могла иметь место при преобразовании t_и в N_q с помощью временных квантов t₁, работа делителя 19 синхронизируется импульсами с выхода делителя 18, которые проходят через элемент ИЛИ 32 на его вход установки в ноль.

Импульсы с выхода делителя 19 проходят через элемент И 25, работа которого разрешена сигналами 64 и 57, и подсчитываются счетчиком 14. За время Т_к код Х₁ счетчика 14 увеличивается на
X₂= = , и в нем формируется код результата преобразования Х_р = Х₁ + Х₂.

Со снятием сигнала 57 возникает сигнал 54, который устанавливает в исходное состояние интегратор 4 и информирует, что на выходной шине 3 находится результат преобразования Х_р. Код Х_р соответствует среднему значению сигнала U_х, полученному за время Т_и его интегрирования с квантом преобразования = . Действительно, подставляя в выражение для Х_р значения Х₁ и Х₂, выраженные через t_и и t_q, а затем значения последних, выраженные через Т_и, получают
X_p= + = + = N(U₁+qU_o).

Величина в скобках соответствует напряжению U_и, на которое изменяется выходное напряжение интегратора 4 за время Т_и, т. е. U_и = k U_хТ_и = (U₁ + q U_о).

Поэтому величина Х_р равна
X_p= = N_o= .

Она не зависит от длительности Т_и измерения U_х, и на ее получение затрачено время Т_р + Т_к, которое значительно меньше по сравнению с прототипом благодаря уменьшению в q раз времени компенсационного интегрирования. Это существенно уменьшает затраты времени на выполнение преобразования и повышает быстродействие АЦП.

Для других комбинаций сигналов 63, 64 и 65 блок 33 также обеспечивает необходимые выходные сигналы управления работой АЦП. Так, в рассмотренном примере наличие к окончанию Т_и сигнала 64 и отсутствие сигнала 63 приводит к выполнению только одного такта Т_к компенсационного интегрирования U_о без выполнения разынтегрирования в связи с тем, что U₁= 0. В этом случае после Т_и сначала выполнен такт t_и с получением кода N_q в счетчике 17 для формирования временного кванта t_q, как это было описано выше, а затем по снятии сигнала 58, который проходит через элемент ИЛИ 48, благодаря отсутствию сигнала с выхода элемента И 45, так как отсутствует сигнал 56, устанавливается в единицу триггер 34, по сигналу 57 которого выполняется такт Т_к с временным квантом работы t_q. Для этого случая в выражении для Х_р величина U₁ = 0, a q соответствует коду, полученному в счетчике 15.

Во втором примере, приведенном на фиг. 3, q = 1, поэтому к окончанию Т_и сигнал 64 отсутствует и имеется сигнал 65. При наличии сигнала 63 в АЦП выполняется разынтегрирование за время Т_р и компенсационное интегрирование за время Т_к. При этом временной квант преобразования в код этих временных интервалов одинаков и равен t_и, так как разрешается работа элементов И 23 и 24 соответственно сигналами 56, 57 и 65. Если в этом примере сигнал 63 к окончанию Т_и отсутствует, то импульс 53 проходит через элементы И 43 и ИЛИ 48 и устанавливает в единицу триггер 34, т. е. сразу начинается компенсационное интегрирование U_о, по окончании которого получен результат преобразования Х_р = Х₂. Для этого случая в выражении для Х_р величины U₁ = 0 и q = 1. Третий пример фиг. 3 соответствует q = 0, поэтому к окончанию сигналы 64 и 65 отсутствуют и при наличии сигнала 63 выполняется только такт разынтегрирования с временным квантом t_и преобразования Т_р в код Х_р. Для этого примера в выражении для Х_р величина q = 0, а при отсутствии сигнала 63 величины U₁= 0 и q = 0, что означает U_и = 0 и U_х = 0. В последнем случае преобразование заканчивается с окончанием Т_и, так как отсутствие сигналов 63, 64 и 65 выключает из работы элементы И 42, 43 и 44 и через них импульс 53 не проходит на триггеры 34, 35 и 36, которые остаются в нуле, и с установкой в ноль триггера 37 в элементе И 41 формируется сигнал 54, информирующий об окончании преобразования, а в счетчике 14 остается без изменения после установки в ноль импульсами 51 код Х_р = 0.

Все это показывает, что в предлагаемом АЦП, как и в прототипе, время измерения преобразуемого сигнала может быть задано произвольно по внешним сигналам и для подавления помехи оно может быть кратно периоду помехи или ее гармоник. Если в течение этого времени выходное напряжение интегратоpа перекрывает его рабочий диапазон, то работа АЦП не нарушается и это может произойти многократно до q раз. В этом случае преобразование выполняется до получения окончательного результата с установленной для АЦП точностью и на него не оказывают влияние изменения в широких пределах времени Т_и измерения преобразуемого напряжения.

В отличие от прототипа, в котором при изменении Т_и, приводящем к q-кратному срабатыванию компаратора, происходят соответствующее изменение времени компенсационного интегрирования и увеличение времени преобразования, в предлагаемом АЦП благодаря формированию с помощью делителей частоты различных временных квантов: t_и для выполнения разынтегрирования в течение Т_р, t₁ для дальнейшего формирования временного кванта t_q, используемого в течение Т_к при компенсационном интегрировании, и использованию t_и и t_q для преобразования временных интервалов Т_р и Т_к в коды Х₁ и Х₂ результата преобразования затраты времени на получение последнего сокращены в q раз, что уменьшает общее время преобразования и повышает быстродействие АЦП.

Таким образом, предлагаемый АЦП решает поставленную перед ним задачу, направленную на устранение недостатка прототипа, по сравнению с которым достигается повышение быстродействия его работы.

Необходимо также отметить, что по сравнению с прототипом в предлагаемом АЦП устранены дополнительные погрешности, обусловленные в прототипе необходимостью преобразования кода, который получается при измерении времени интегрирования, в напряжение компенсационного интегрирования с помощью ЦАП, работающего в режиме переключения знака опорного напряжения. Эти погрешности в предлагаемом АЦП устранены, так как такого преобразования и наличия ЦАП в нем не требуется, что достигнуто благодаря образованию временных квантов работы АЦП при получении результата преобразования, которые формируются из результата измерения полного времени интегрирования преобразуемого сигнала и с помощью делителей частоты, которые основываются на пересчете импульсов без применения аналоговых элементов.

Формула изобретения

1. ИНТЕГРИРУЮЩИЙ АНАЛОГО-ЦИФРОВОЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ, содержащий первый счетчик, информационные выходы которого являются выходной шиной, первый ключ, информационный вход которого является входной шиной, управляющий вход соединен с первым выходом блока управления и объединен с первым входом первого элемента И, а выход объединен с выходом второго ключа и через резистивный элемент подключен к входу интегратора и информационному входу третьего ключа, управляющий вход второго ключа соединен с вторым выходом блока управления, а его информационный вход - с выходом переключателя, управляющий вход которого соединен с третьим выходом блока управления, первый информационный вход через аналоговый инвертор соединен с его вторым информационным входом, который соединен с выходом источника опорного напряжения и объединен с первым входом компаратора, выход которого соединен со счетным входом второго счетчика и первым входом первого элемента ИЛИ, а второй вход соединен с выходами третьего ключа и интегратора и объединен с первым входом нуль-органа , второй вход которого соединен с входом источника опорного напряжения, который является шиной нулевого потенциала, выход нуль-органа соединен с первым входом блока управления, управляющий вход третьего ключа соединен с выходом первого элемента ИЛИ, второй вход которого соединен с четвертым выходом блока управления и объединен с первым входом второго элемента И, выход которого подключен к входам установки в "0" второго и третьего счетчиков, а второй вход объединен с вторым входом блока управления, входом установки в "0" первого счетчика, который является входной шиной синхронизации, и с первым входом второго элемента ИЛИ, выход которого соединен с входом установки в "0" первого делителя частоты, информационные входы которого подключены к выходам соответствующих разрядов третьего счетчика, выход - к первому входу третьего элемента И, импульсный вход подключен к пятому выходу блока управления и объединен с вторым входом первого элемента И, выход которого соединен с первым входом третьего элемента ИЛИ, выход которого подключен к счетному входу первого счетчика, выход переполнения которого соединен со счетным входом третьего счетчика, единичные выходы соответствующих старших разрядов второго счетчика подсоединены к входам четвертого элемента ИЛИ, выход которого соединен с третьим входом блока управления, и четвертый счетчик, отличающийся тем, что, с целью повышения быстродействия, в него введены второй делитель частоты, коммутатор кодов, с четвертого по седьмой элементы И и пятый элемент ИЛИ, первый вход которого объединен с четвертым входом блока управления и первыми входами третьего и четвертого элементов И, второй вход соединен с выходом второго элемента ИЛИ, а выход - с входом установки в "0" второго делителя частоты, выход которого соединен с первыми входами пятого и шестого элементов И, а информационные входы - с соответствующими выходами коммутаторов кодов, вход управления которого объединен с вторым входом шестого элемента И и подключен к шестому выходу блока управления, информационные входы первого кода - к соответствующим выходам разрядов четвертого счетчика, а информационные входы второго кода - к соответствующим единичным выходам старших разрядов и младшему разряду второго счетчика, выход младшего разряда объединен с первым входом седьмого элемента И, остальные входы которого подсоединены к нулевым выходам старших разрядов второго счетчика, а выход - к пятому входу блока управления и второму входу четвертого элемента И, третий вход которого соединен с третьим выходом блока управления и вторым входом пятого элемента И, а выход - с вторым входом третьего элемента ИЛИ, третий и четвертый входы которого подключены к выходам третьего и пятого элементов И, третий вход последнего из которых объединен с третьим входом блока управления, пятый, седьмой и восьмой выходы которого подсоединены соответственно к импульсному входу второго делителя частоты, к второму входу третьего элемента И и второму входу второго элемента ИЛИ, шестой и седьмой входы - к выходам соответственно компаратора и второго элемента И, а второй вход объединен с входом установки в "0" четвертого счетчика, счетный вход которого соединен с выходом шестого элемента И.

2. Преобразователь по п. 1, отличающийся тем, что блок управления выполнен на четырех триггерах, элементе задержки, шести элементах И, четырех элементах ИЛИ, формирователе импульсов и управляемом генераторе импульсов, выход которого является пятым выходом блока, а вход соединен с выходом первого элемента ИЛИ, первый вход которого является вторым входом блока и объединен с первым входом первого элемента И, а второй вход является восьмым выходом блока, через формирователь импульсов подключен к нулевому выходу первого триггера и объединен с первым входом второго элемента И, выход которого является четвертым выходом блока, а второй, третий и четвертый входы соединены с нулевыми выходами второго, третьего и четвертого триггеров соответственно, единичный выход последнего из которых является первым выходом блока и соединен с вторым входом первого элемента И, выход которого подключен к первым входам третьего, четвертого и пятого элементов И и нулевому входу четвертого триггера, единичный вход которого является седьмым входом блока, а вход установки в исходное состояние объединен с одноименными входами остальных триггеров и подключен к выходу элемента задержки, выход второго элемента ИЛИ является вторым выходом блока, а его первый и второй входы - соответственно третьим и седьмым выходами блока, которые соответственно соединены с единичными выходами первого и второго триггеров, последний из которых соединен с первым входом шестого элемента И, выход и второй вход которого подключены соответственно к первому входу третьего элемента ИЛИ и к выходу четвертого элемента ИЛИ, первый и второй входы которого являются соответственно третьим и пятым выходами блока, которые объединены с вторыми входами соответственно пятого и четвертого элементов И, выходы которых подключены соответственно к единичному входу третьего триггера и второму входу третьего элемента ИЛИ, третий вход которого является шестым выходом блока и соединен с единичным выходом третьего триггера, нулевой вход которого является четвертым входом блока, первым входом которого является нулевой вход второго триггера, который объединен с вторым входом третьего элемента И, выход которого соединен с единичным входом второго триггера, единичный вход первого триггера соединен с выходом третьего элемента ИЛИ, а его нулевой вход является шестым входом блока.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3