РЕВЕРСИВНЫЙ ЧИСЛО-ИМПУЛЬСНЫЙ АНАЛОГО-ЦИФРОВОЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ
BIDIRECTIONAL NUMBER-PULSE ANALOGUE-TO-DIGITAL CONVERTER

Устройство относится к области вычислительной техники и может использоваться в системах управления технологическими процессами, в частности в автоматизированном электроприводе.
Известны число-импульсные аналого-цифровые преобразователи (АЦП), содержащие преобразователь напряжения в частоту импульсов (ПНЧ), суммирующий счетчик, регистр памяти, источник синхронизирующих импульсов и элемент задержки (Волович Г.И. Схемотехника аналоговых и аналогово-цифровых электронных устройств / Г.И.Волович. - М.: Издательский дом «Додэка-XXI», 2005. - 459 с.).
ПНЧ преобразует аналоговый сигнал в частоту импульсов, количество которых за интервал времени, формируемый источником синхронизирующих импульсов, подсчитывается суммирующим счетчиком. После завершения цикла преобразования данные из суммирующего счетчика переносятся в регистр памяти. После этого с задержкой времени, формируемой элементом задержки, суммирующий счетчик «обнуляется» и цикл преобразования повторяется.
Основу подобных АЦП составляют ПНЧ на основе интегратора и релейного элемента (компаратора) с контуром периодического «обнуления» канала интегрирования, состоящего из одновибратора, аналогового ключа и стабилизированного источника тока.
Недостатками число-импульсных АЦП с ПНЧ подобного типа являются:
- высокий уровень мультипликативной и аддитивной погрешности в области «малых» сигналов;
- способность работать с сигналом только одного знака, что ограничивает функциональные возможности АЦП;
- значительная погрешность, вносимая контуром периодического «обнуления» канала интегрирования, на высоких частотах выходного сигнала ПНЧ.
Таким образом, известное устройство характеризуется низкой точностью и ограниченными функциональными возможностями.
Известно устройство, которое по составу функциональных блоков является наиболее близким к предлагаемому АЦП, содержащее вращающийся трансформатор, резисторы и релейный элемент (SU 960886 СССР, G08B C9/04. Преобразователь углового перемещения в частоту / Цытович Л.И. - №3256217/24; заявл. 17.02.81; опубл. 23.09.82, бюл. №35).
По сути дела известное устройство имеет структуру, в состав которой входят амплитудный модулятор (вращающийся трансформатор), сумматор (магнитопровод вращающегося трансформатора), интегратор (вторичная обмотка вращающегося трансформатора) и релейный элемент. Данная структура подробно рассмотрена в работах (Цытович Л.И. Анализ динамики интегрирующего амплитудно-частотно-импульсного развертывающего преобразователя аналоговых сигналов в частоту импульсов / Л.И.Цытович, Р.З.Гафиятуллин, Р.З.Хусаинов, М.М.Дудкин // Вестник ЮУрГУ. Сер. «Энергетика». - 2003. - Вып. 3. - №11 (27). - С.36-40; Дудкин М.М. Анализ динамических характеристик преобразователей напряжения в частоту импульсов / М.М.Дудкин // Электротехнические системы и комплексы: межвузовский сб. науч. тр. / Под ред. С.И.Лукьянова. - Магнитогорск: МГТУ, 2006. - Вып. 12. - С.183-192).
При нулевом уровне входного сигнала устройство работает в режиме автоколебаний, формируя начальное значение частоты на выходе релейного элемента. Входной сигнал приводит к появлению на выходе амплитудного модулятора импульсов, которые синфазны по отношению к выходным импульсам релейного элемента. В результате повышаются скорость нарастания пилообразного выходного напряжения интегратора и частота выходных импульсов релейного элемента. Таким образом, устройство осуществляет преобразование входного сигнала в частоту импульсов.
К числу недостатков устройства-прототипа следует отнести:
- возможность его работы только с сигналом одной, например положительной, полярности, что не позволяет использовать данную структуру АЦП в реверсивных схемах управления;
- наличие начального значения частоты выходных импульсов при нулевом значении преобразуемого сигнала, что требует контура компенсации начальной «цифры» в АЦП для смещения его характеристики «вход-выход» в точку с координатами Х=Y=0. При этом заранее заданный код компенсации при изменении внешних факторов эксплуатации АЦП может не совпадать с его требуемым значением из-за дрейфа параметров элементов ПНЧ;
- сложность построения контура знакового разряда при попытке реализации АЦП реверсивного типа, так как подобного рода устройства традиционно выполняются на основе компаратора, контролирующего знак входного преобразуемого аналогового сигнала. В результате высокая восприимчивость компаратора к сигналам импульсных помех приводит к значительной ошибке АЦП.
Таким образом, устройство-прототип также имеет низкую точность и ограниченные функциональные возможности.
В основу изобретения положена техническая задача, заключающаяся в повышении точности и расширении функциональных возможностей реверсивного число-импульсного аналого-цифрового преобразователя.
Указанная техническая задача решается тем, что в реверсивный число-импульсный аналого-цифровой преобразователь, содержащий последовательно включенные первый амплитудный модулятор, первый сумматор, первый релейный элемент, выход которого подключен ко второму входу первого сумматора и к первому входу первого амплитудного модулятора, а также соединен со счетным С-входом первого двоичного суммирующего счетчика, выход которого подключен к D-входу первого регистра памяти, также содержащий источник входного сигнала - «вход» реверсивного число-импульсного аналого-цифрового преобразователя, источник импульсов синхронизации, подключенный к входу первого элемента задержки и к С-входу записи первого регистра памяти, выходной цифроаналоговый преобразователь, имеющий вход данных и вход знакового разряда, причем выход первого элемента задержки соединен с R-входом первого двоичного суммирующего счетчика, а выход цифроаналогового преобразователя является «аналоговым выходом» реверсивного число-импульсного аналого-цифрового преобразователя, согласно изобретению введены первый и второй однополупериодные демодуляторы, подключенные таким образом, что первый передает на выход сигнал положительной полярности, а второй -отрицательной полярности, и последовательно включенные второй амплитудный модулятор, второй сумматор, второй интегратор, второй релейный элемент, выход которого подключен ко второму входу второго сумматора и к первому входу второго амплитудного модулятора, второй двоичный суммирующий счетчик, второй регистр памяти, цифровой компаратор, арифметическо-логическое устройство, реализующее операцию вычитания кодов с выхода первого и второго регистров, второй элемент задержки, причем входы первого и второго демодуляторов соединены с источником входного сигнала - «вход» реверсивного число-импульсного аналого-цифрового преобразователя, выход первого демодулятора подключен ко второму входу первого амплитудного модулятора, выход второго демодулятора соединен со вторым входом второго амплитудного модулятора, выход второго релейного элемента соединен с С-входом второго суммирующего счетчика, а его выход подключен к D-входу второго регистра памяти, R-вход второго суммирующего счетчика подключен к выходу первого элемента задержки, а С-вход второго регистра памяти подключен к источнику импульсов синхронизации, выходы первого и второго регистров памяти одновременно подключены к входам данных арифметическо-логического устройства и к входам цифрового компаратора, выход которого подключен к входу знакового разряда цифроаналогового преобразователя и одновременно является «выходом знакового разряда» реверсивного число-импульсного аналого-цифрового преобразователя, выход арифметическо-логического устройства подключен к входам данных цифроаналогового преобразователя и одновременно является «цифровым выходом» реверсивного число-импульсного аналого-цифрового преобразователя, выход второго элемента задержки соединен с входом разрешения выполнения заданной операции арифметическо-логического устройства, а вход второго элемента задержки подключен к выходу первого элемента задержки.
Особенностью заявленного реверсивного число-импульсного аналого-цифрового преобразователя заключается в том, что в него введены второй канал преобразования информации, состоящий из второго амплитудного модулятора, второго сумматора, второго интегратора, второго релейного элемента, второго двоичного суммирующего счетчика, второго регистра памяти, а также двух демодуляторов, цифрового компаратора и арифметическо-логического устройства.
Преобразователь напряжения в частоту импульсов, состоящий из последовательно включенных амплитудного модулятора, сумматора, интегратора и релейного элемента, обладает повышенной временной и температурной стабильностью характеристик, так как его результирующая погрешность частоты выходных импульсов  оказывается пропорциональной дрейфу «нуля»  амплитудного модулятора или интегратора, в то время как для традиционных структур преобразователей напряжения в частоту импульсов, например, с контуром периодического «обнуления» канала интегрирования, . Учитывая, что , рассмотренный преобразователь напряжения в частоту импульсов обладает температурной и временной стабильностью характеристик, не менее чем на порядок превосходящей известные технические решения.
При выполнении преобразователей напряжения в частоту импульсов, входящих в состав первого и второго канала преобразования информации, на основе одной и той же элементной базы одной серии их результирующий дрейф «нуля» практически совпадает по знаку и величине. Это в рамках рассмотренного устройства позволяет проводить автоматическую коррекцию цифровых кодов с выходов первого и второго двоичных суммирующих счетчиков в функции условий окружающей среды, когда происходит высокоточная компенсация результирующего кода на выходе реверсивного число-импульсного аналого-цифрового преобразователя.
Введение цифрового компаратора, защищенного от воздействия сигналов импульсных помех каналами интегрирования преобразователей напряжения в частоту импульсов и двоичных счетчиков, обеспечивает высокую помехоустойчивость процесса формирования знакового разряда на выходе реверсивного число-импульсного аналого-цифрового преобразователя. Все это свидетельствует о повышении точности реверсивного число-импульсного аналого-цифрового преобразователя.
Реверсивный число-импульсный аналого-цифровой преобразователь является реверсивным за счет введения второго канала преобразования информации, состоящий из второго амплитудного модулятора, второго сумматора, второго интегратора, второго релейного элемента, второго двоичного суммирующего счетчика, второго регистра памяти, а также двух демодуляторов и цифрового компаратора, что расширяет его функциональные возможности и области применения.
В результате поставленная техническая задача достигается за счет введения второго канала преобразования напряжения в частоте импульсов с последующим преобразованием их выходной частоты в цифровые коды, операции вычитания данных кодов и формирования знакового разряда на основе цифрового компаратора, защищенного от воздействия сигналов импульсных помех каналами интегрирования преобразователей напряжения в частоту импульсов и двоичных счетчиков.
Таким образом, предлагаемое устройство обладает повышенной точностью и расширенными функциональными возможностями.
Изобретение поясняется чертежами:
Фиг.1 - функциональная схема предлагаемого устройства;
Фиг.2 - характеристики элементов реверсивного число-импульсного АЦП;
Фиг.3 - временные диаграммы сигналов ПНЧ;
Фиг.4. - временные диаграммы сигналов реверсивного число-импульсного АЦП;
Фиг.5 - временные диаграммы сигналов и аналитические соотношения для ПНЧ с учетом дрейфа «нуля»;
Фиг.6 - структурные схемы АЦП-прототипа и его элементов.
В состав реверсивного число-импульсного АЦП (фиг.1) входят два одинаковых канала преобразования информации. Первый канал состоит из последовательно включенных первого демодулятора 1, первого амплитудного модулятора 2, первого сумматора 3, первого интегратора 4, первого релейного элемента 5, первого двоичного суммирующего счетчика 6 и первого регистра памяти 7. Причем выход первого релейного элемента 5 соединен с С-входом первого двоичного суммирующего счетчика 6, а также со вторым входом первого сумматора 3 и вторым входом первого амплитудного модулятора 2. Второй канал преобразования состоит из аналогичных элементов и содержит последовательно включенные второй демодулятор 8, второй амплитудный модулятор 9, второй сумматор 9, второй интегратор 11, второй релейный элемент 12, второй двоичный суммирующий счетчик 13 и второй регистр памяти 14. Причем выход второго релейного элемента 12 соединен с С-входом второго двоичного суммирующего счетчика 13, а также со вторым входом второго сумматора 10 и вторым входом второго амплитудного модулятора 9. Источник входного сигнала - «вход» реверсивного число-импульсного АЦП подключен к входу первого 1 и второго 8 демодуляторов, источник импульсов синхронизации одновременно соединен с С-входом записи первого 7 и второго 14 регистров памяти, а также с входом первого элемента задержки 15, выход которого подключен к R-входу первого 6 и второго 13 двоичных суммирующих счетчиков, а также к входу второго элемента задержки 16. В состав устройства также входит арифметическо-логическое устройство 17, цифровой компаратор 18 и цифроаналоговый преобразователь 19. Причем выходы первого 7 и второго 14 регистров памяти одновременно подключены к входам данных арифметическо-логического устройства 17 и к входам цифрового компаратора 18, выход которого подключен к входу знакового разряда цифроаналогового преобразователя 19 и одновременно является «выходом знакового разряда» реверсивного число-импульсного АЦП, выход арифметическо-логического устройства 17 подключен к входам данных цифроаналогового преобразователя 19 и одновременно является «цифровым выходом» реверсивного число-импульсного АЦП, выход второго элемента задержки 16 соединен с входом разрешения выполнения заданной операции арифметическо-логического устройства 17, выход цифроаналогового преобразователя 19 является «аналоговым выходом» реверсивно число-импульсного АЦП.
Звенья реверсивно число-импульсного АЦП имеют следующие характеристики.
Демодуляторы (выпрямители) 1, 8 являются однополупериодными. Демодулятор 1 передает на выход входной сигнал положительной полярности, а демодулятор 8 - отрицательной полярности (фиг.2, а).
ВЫХ
ВЫХ
ВХ
Н
ВХ
H
ВЫХ
ВЫХ
ВХ
Н
Амплитудные модуляторы (AM) 2, 9 формируют на выходе переменный сигнал с частотой несущих колебаний и с амплитудой, изменяющейся по закону входного сигнала (фиг.2, б). Знак импульса на выходе Y амплитудного модулятора 2 определяется соотношением singY=singX·singY, т.е. выходной сигнал AM 2 имеет положительный знак в случае совпадения знаков его входного сигнала Х и сигнала несущей частоты Y. Знак импульса на выходе Y амплитудного модулятора 9 определяется выражением signY=(-1)·signX·signY.
Сумматоры 3, 10 имеют единичный коэффициент передачи по каждому из входов.
Выходной сигнал интеграторов 4, 11 при скачке входного воздействия изменяется линейно в направлении, противоположном знаку входного воздействия (фиг.2, в).
Релейные элементы (РЭ) 5, 12 имеют симметричные относительно «нуля» пороги переключения ±b и неинвертирующую петлю гистерезиса (фиг.2, г).
0
Первый демодулятор 1, первый AM 2, первый сумматор 3, первый интегратор 4 и первый РЭ 5, а также второй демодулятор 8, второй AM 9, второй сумматор 10, второй интегратор 11 и второй РЭ 12 в совокупности образуют два канала ПНЧ с характеристикой, показанной на фиг.2, д, где ƒ - начальная частота выходных импульсов каждого из каналов ПНЧ при отсутствии сигнала на информационном входе амплитудных модуляторов 2, 9.
Счетчики 6, 13 являются суммирующими со счетным С-входом и R-входом для установки нулевых начальных условий. Режим счета осуществляется по переднему фронту счетных импульсов на С-входе.
Регистры памяти 7, 14 осуществляют запись и хранение информации с D-входа по переднему фронту импульса на С-входе.
1
2
Арифметическо-логическое устройство (АЛУ) 17 производит операцию вычитания кодов N, N с выходов регистров 7, 14 по переднему фронту импульса с выхода второго элемента задержки 16 и может выполняться как на основе стандартных микросхем, так и на базе программируемых контроллеров.
Элементы задержки 15, 16 формируют запаздывание «τ» при передаче входного сигнала (фиг.2, е).
1
2
Цифровой компаратор 18 переключается в состояние логической «1» при условии N≥N, что соответствует положительному знаку сигнала на входе устройства.
Цифроаналоговый преобразователь (ЦАП) 19 преобразует цифровой код в аналоговый сигнал.
Принцип работы устройства следующий.
Реверсивный число-импульсный АЦП (фиг.1) содержит два идентичных по принципу своего действия преобразователя напряжения в частоту импульсов (ПНЧ). Первый ПНЧ состоит из первого AM 2, первого сумматора 3, первого интегратора 4 и первого РЭ 5, а второй ПНЧ - из второго AM 9, второго сумматора 10, второго интегратора 11 и второго РЭ 12. Каждый из ПНЧ предназначен для работы с сигналом определенной полярности. Так, первый ПНЧ осуществляет преобразование в частоту импульсов входного напряжения положительной полярности, а второй ПНЧ - входного сигнала отрицательной полярности. Разделение входного напряжения по знаку производится демодуляторами 1, 8.
ВХ
0
0
При отсутствии входного сигнала Х на «входе» реверсивного число-импульсного АЦП (фиг.3, а) выходное напряжение первого 1 и второго 8 демодуляторов, а также первого 2 и второго 9 AM равно нулю. Первый сумматор 3, первый интегратор 4 и первый РЭ 5, а также второй сумматор 10, второй интегратор 11 и второй РЭ 12 работают в режиме автоколебаний, когда на выходе релейных элементов 5 (фиг.3, в) и 12 (фиг.3, г) формируются биполярные импульсы с частотой ƒ (фиг.2, д). При идентичности характеристик звеньев каналов 3, 4, 5 и 10, 11, 12 они работают с равным значением начальной частоты ƒ. Возможный фазовый сдвиг между выходными сигналами каналов 3, 4, 5 и 10, 11, 12 принципиального значения не имеет, так как в конечном итоге может привести к ошибке преобразования лишь в единицу младшего разряда двоичного кода. Выходные сигналы интеграторов 4, 11 имеют пилообразную симметричную форму и ограничены по амплитуде порогами переключения релейных элементов 5, 12 (фиг.3, в, г).
ВХ
0
При подаче на «вход» АЦП положительного входного сигнала (фиг.3, а) на информационном входе амплитудного модулятора 2 появляется напряжение положительного знака, которое затем преобразуется в импульсный сигнал (фиг.3, б) с частотой выходных импульсов релейного элемента 5, которая возрастает из-за синфазности импульсов с выхода первого сумматора 3 и первого РЭ 5 пропорционально амплитуде Х (фиг.3, б, в). Второй ПНЧ (элементы 9-12) работает в автоколебательном режиме с начальной частотой ƒ, так как напряжение на выходе демодулятора 2 равно нулю, и выполняет функции канала несущей частоты.
0
При смене знака входного сигнала (фиг.3, д) картина меняется на противоположную. Начальную частоту ƒ формирует первый ПНЧ (фиг.3, е), а преобразование входного воздействия в частоту импульсов производит второй ПНЧ (фиг.3, ж, з).
Дальнейшую работу реверсивного число-импульсного АЦП рассмотрим для случая, представленного на фиг.3, а-г, который соответствует положительному по знаку входному воздействия.
1
Под действием импульсов с выхода первого РЭ 5 (фиг.4, а) в счетчике 6 накапливается число N (фиг.4, б), состоящее из чисел  и  Одновременно с этим под действием выходных импульсов релейного элемента 12 (фиг.4, в) в счетчике 12 формируется число  (фиг.4, г).
C
1
2
0
В момент прихода импульса синхронизации, следующего с периодом t=const, данные из счетчиков 6, 13 (фиг.4, б, г) переносятся в регистры памяти 7, 14 (фиг.4, е, ж). С задержкой времени τ формируется импульс на выходе элемента задержки 15 (фиг.4, з), который «обнуляет» счетчики 6, 13 (фиг.4, б, г). Затем появляется импульс на выходе элемента задержки 16 (фиг.4, и), под действием которого АЛУ 17 осуществляет вычитание кодов Nи N (фиг.4, к). В результате на «цифровом выходе» реверсивного число-импульсного АЦП формируется число, которое не содержит составляющей, пропорциональной ƒ, а является числом, соответствующим входному сигналу на «входе» АЦП.
ВХ
Одновременно с записью данных в регистры памяти 7, 14 формируется знаковый разряд на выходе цифрового компаратора 18, который соответствует сигналу логической «1» при положительной полярности входного сигнала на «входе» АЦП. В случае отрицательного знака сигнала Х выходное напряжение цифрового компаратора 18 принимается за сигнал логического «0».
1
2
ЦАП 19 формирует аналоговый сигнал на «аналоговом выходе» АЦП, величина которого пропорциональна разности кодов N-N, а знак определяется состоянием выхода цифрового компаратора 18.
Рассмотренное устройство имеет следующие основные преимущества по сравнению с устройством-прототипом.
1. Первый ПНЧ (элементы 2-5) и второй ПНЧ (элементы 9-12) имеют повышенную временную и температурную стабильность характеристик, что иллюстрируется диаграммами сигналов и аналитическими соотношениями на фиг.5, в частности для ПНЧ с элементами 2-5.
ВХ
1
2
При отсутствии сигнала дрейфа «нуля» Δе амплитудного модулятора 2 или интегратора 4 выходная частота ПНЧ линейна относительно Х (фиг.5, д). В случае появления дрейфа «нуля» Δе (фиг.5, в), например, положительной полярности, интервал времени t импульса на выходе релейного элемента 5 уменьшается, а интервал времени t - увеличивается (фиг.5, б-д). При этом результирующая погрешность  частоты выходных импульсов ПНЧ оказывается пропорциональной  (фиг.5, д), в то время как для традиционных структур ПНЧ, например, с контуром периодического «обнуления» канала интегрирования  Учитывая, что  рассмотренный ПНЧ обладает температурной и временной стабильностью характеристик, не менее чем на порядок превосходящей известные технические решения.
1
2
2
0
2. Как показали экспериментальные исследования, при выполнении первого ПНЧ (элементы 2-5) и второго ПНЧ (элементы 9-12) на основе одной и той же элементной базы одной серии их результирующий дрейф «нуля» практически совпадает по знаку и величине. Это в рамках рассмотренного устройства позволяет производить автоматическую коррекцию кодов N и N в функции условий окружающей среды, когда происходит высокоточная компенсация составляющей N≡ƒ и результирующего кода АЦП.
3. Введение цифрового компаратора 18 и его подключение к выходам регистров памяти 7, 14 обеспечивают высокую помехоустойчивость процесса формирования знакового разряда и АЦП в целом. Традиционно в системах цифровой обработки данных, содержащих, например, АЦП и цифровую систему вычислений ЦС (фиг.6, а), знаковый разряд определяется с помощью компаратора («нуль-органа») 3, подключенного к входу АЦП. Подобное техническое решение имеет низкую помехоустойчивость по причине высокой чувствительности компараторов к импульсным помехам.
В предлагаемом устройстве подобная задача решается за счет цифрового компаратора 18, подключенного к выходам регистров памяти 7, 14. Эквивалентная схема подобного подключения соответствует структуре на фиг.6, б, где компаратор 4 подключен к выходам двух интеграторов 1, 2, в результате чего компаратор 4 защищен от действия импульсных помех каналами интегрирования 1 и 2. Применительно к рассматриваемому устройству такими каналами интегрирования являются первый 4 и второй 11 интеграторы, а также первый 6 и второй 13 суммирующие счетчики (фиг.1). Все это однозначно свидетельствует о повышении точности реверсивного число-импульсного АЦП.
4. Предлагаемый реверсивный число-импульсный АЦП является реверсивным за счет введения двух демодуляторов, второго ПНЧ (элементы 9-12), второго суммирующего счетчика 13, второго регистра памяти 14 и цифрового компаратора 18, что расширяет его функциональные возможности и области применения.
Таким образом, рассмотренное устройство характеризуется повышенной точностью и расширенными функциональными возможностями, что достигается за счет введения в него элементов 1, 8-14, 16, 17, 18.
Промышленная применимость.
Предлагаемое устройство предполагается использовать в качестве цифрового датчика тока в системе управления вентильным преобразователем постоянного тока автоматизированного электропривода кромкорежущего станка на ОАО «Челябинский трубопрокатный завод».