ИНТЕГРИРУЮЩИЙ АНАЛОГО-ЦИФРОВОЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ
RAMP-TYPE ANALOGUE-TO-DIGITAL CONVERTER

Устройство относится к области вычислительной техники, предназначено для преобразования аналогового сигнала в код, например двоичный, и может использоваться в системах управления при автоматизации технологических процессов.
Известен аналого-цифровой преобразователь (АЦП) на основе следящего преобразователя напряжения в интервал времени (Мартящин А.И., Шахов Э.К., Шляндин В.М. Преобразователи электрических параметров для систем контроля и измерения. М., Энергия, 1976, с.53), содержащий сумматор, управляемый напряжением генератор, фиксирующий элемент, фильтр, преобразователь интервала времени в напряжение.
Известное техническое решение имеет низкую статическую и динамическую точность по следующим причинам:
- наличие фильтра в канале обратной связи снижает помехоустойчивость АЦП, так как фильтр в области высоких частот входного воздействия придает устройству свойства дифференцирующего звена, чувствительного к высокочастотным помехам;
- канал обратной связи содержит преобразователь «интервал - напряжение», который в силу своей структуры формирует аддитивную ошибку, однозначно входящую в результирующую характеристику АЦП;
Известен АЦП по методу двухтактного интегрирования (Емельянов А.В., Шилин А.Н. Исследование АЦП двухтактного интегрирования: метод. указ. - Волгоград. ВолгГТУ, 2003. - С.4.), содержащий интегратор, ключевые и логические элементы, генераторы импульсов, счетчик, регистр памяти.
Известное устройство имеет высокую помехоустойчивость, но относится к классу разомкнутых систем, что отрицательно влияет на точность его работы. Кроме того, АЦП на период преобразования «аналога» в «цифру» отключается от входного сигнала, что приводит к потерям информации о состоянии контролируемого объекта.
Наиболее близким к предлагаемому АЦП является многозонный развертывающий преобразователь (МРП) (SU №1183988, МПК G06G 7/12, заявл. 27.04.84, опубл. 07.10.85, Бюл. №37), содержащий сумматоры, интегратор, релейные элементы, входную и выходную клеммы.
Устройство-прототип относится к классу автоколебательных частотно-широтно-импульсных (ЧШИМ) преобразователей интегрирующего типа, обладает высокой помехоустойчивостью и точностью работы, что обусловлено замкнутым характером структуры МРП и наличием интегратора в прямом канале регулирования.
Преобразование выходного сигнала МРП (среднего значения выходных импульсов) в код требует включение на выходе устройства сглаживающего фильтра и непосредственно АЦП того или иного принципа действия.
Такая структура будет иметь низкую точность работы, так как при ЧШИМ практически невозможно согласовать амплитудное значение пульсаций на выходе сглаживающего фильтра, которое потом может быть учтено как постоянное значение погрешности преобразования, с тактовой частотой АЦП.
Таким образом, известное техническое решение при построении на его основе АЦП будет характеризоваться низкой точностью.
В основу изобретения положена техническая задача, заключающаяся в повышении точности работы АЦП на базе многозонного частотно-широтно-импульсного развертывающего преобразователя.
Предлагаемый интегрирующий аналого-цифровой преобразователь, содержащий последовательно включенные источник входного сигнала, первый сумматор, интегратор, выход которого подключен к входам группы из n-го числа релейных элементов, причем n≥3 - нечетное число, выходы релейных элементов подключены к соответствующим входам второго сумматора, выход которого подключен ко второму входу первого сумматора, группа из (n-1)-го числа ключевых элементов, входы которых соединены с выходами группы из n-го числа релейных элементов, начиная со второго релейного элемента, выходная клемма, характеризуется тем, что в него введены последовательно включенные дифференцирующее звено, демодулятор, генератор одиночного импульса и элемент задержки, а также последовательно включенные арифметическо-логическое устройство и регистр памяти, причем вход дифференцирующего звена подключен к выходу второго сумматора, выход генератора одиночного импульса подключен к командному входу арифметическо-логического устройства, информационные входы которого соединены с соответствующими выходами группы из (n-1) - числа ключевых элементов, выход элемента задержки подключен к входу записи регистра памяти, выходы регистра памяти подключены к выходной клемме аналого-цифрового преобразователя.
Предлагаемое устройство обеспечивает повышенную точность работы.
Поставленная техническая задача достигается за счет того, что МРП представляет собой замкнутую реверсивную автоколебательную систему. При этом каждая из модуляционных зон МРП характеризуется только ей присущим числом единичных (либо нулевых) состояний ключевых элементов, что с помощью введенного арифметико-логичекого устройства преобразуется в соответствующий данной модуляционной зоне рабочий, например, двоичный или двоично-десятичный код. Кроме того, преобразование аналогового сигнала в код производится не только в режиме нахождения МРП в заданной модуляционной зоне, но и при его переходе из одной зоны в другую.
Изобретение поясняется чертежами, где на:
фиг.1 дана структура предлагаемого интегрирующего АЦП;
фиг.2 приведены характеристики элементов АЦП;
фиг.3 даны диаграммы сигналов МРП;
фиг.4 приведены характеристики МРП;
фиг.5 представлены временные диаграммы сигналов регулятора переменного напряжения;
фиг.6, 7 статические характеристики и кодовые таблицы МРП.
В состав устройства (фиг.1) входит МРП 1 на основе сумматоров 2, 3, интегратора 4, выход которого подключен к группе из n-го числа релейных 5-1…5-n, причем n≥3 - нечетное число. Также группа из (n-1)-го числа ключевых элементов 6-1…6-(n-1), входы которых соединены с выходами группы из n-го числа релейных элементов 5-2…5-n, начиная со второго релейного элемента 5-1. Дополнительно в устройство введены последовательно включенные дифференцирующее звено 7, демодулятор 8, генератор одиночного импульса 9 и элемент задержки 10, а также последовательно включенные арифметическо-логическое устройство 11 и регистр памяти 12. Причем вход дифференцирующего звена 7 подключен к выходу второго сумматора 3, а выход генератора одиночного импульса 9 подключен к командному входу арифметическо-логического устройства 11, информационные входы которого соединены с соответствующими выходами группы из (n-1) - числа ключевых элементов 6-1…6-(n-1). Выход элемента задержки 10 подключен к входу записи регистра памяти 12, выходы регистра памяти 12 подключены к выходной клемме аналого-цифрового преобразователя 11. Также устройство содержит входную 13 и выходную 14 клеммы.
Элементы АЦП имеют следующие характеристики.
Сумматоры 2, 3 выполнены с коэффициентом передачи по каждому из входов, равным 1,0.
и
и
Интегратор 4 реализован с передаточной функцией вида W(p)=1/Tp, где T - постоянная времени. Его выходной сигнал нарастает линейно при скачке входного воздействия со знаком, противоположным знаку входного сигнала (фиг.2,а).
Релейные элементы 5-1…5-n имеют симметричную петлю гистерезиса и пороги переключения, удовлетворяющие условию:
i
2
3
n
|±b|<|±b|<|±b|<…<|±b|,
i
где ±b - пороги переключения соответствующего из релейных элементов 5-1…5-n; n≥3 - целое нечетное число. Выходной сигнал релейных элементов 5-1…5-n меняется дискретно в пределах ±A/n (фиг.2,б).
Ключи 6-1…6-(n-1) имеют неинвертирующую характеристику с нулевым значением порогов переключения и предназначены для преобразования биполярного входного сигнала в однополярные импульсы (фиг.2,в).
Дифференцирующее звено 7 формирует импульсы малой длительности синхронно с передним и задним фронтами входного сигнала (фиг.2,г).
Демодулятор 8 имеет статическую характеристику «вход-выход», показанную на фиг.2,д, и преобразует выходной сигнал звена 7 в однополярные импульсы.
Генератор одиночного импульса 9 формирует импульсы заданной длительности и фиксированной амплитуды синхронно с выходными импульсами блока 8 (фиг.2,е).
Элемент задержки 10 сдвигает входной сигнал на заданный интервал времени, сохраняя его форму.
АЛУ 11 осуществляет подсчет «1» (или «0») с выходов ключей 6-1…6-(n-1) и преобразование этого числа в рабочий код, например двоичный.
Регистр памяти 12 осуществляет запись и хранение данных в течение заданного интервала времени. Запись в регистр 12 производится синхронно с передним фронтом сигнала с выхода элемента задержки 10.
На диаграммах сигналов приняты следующие обозначения:
вх
X - сигнал задания;
и
Y(t) - выходной сигнал интегратора 4;
P1
P2
P3
P4
P5
Y, Y(t), Y(t), Y(t), Y(t) - выходные сигналы релейных элементов 4-1…4-5 соответственно;
вых
Y(t) - выходной сигнал сумматора 3;
0
Y - среднее значение выходных импульсов сумматора 3;
Г
Y(t) - выходной сигнал генератора 9.
Принцип работы устройства следующий:
Здесь и далее полагаем, что коэффициент передачи МРП 1 равен единице, а изменение уровня входного сигнала совпадает с началом очередного цикла развертывающего преобразования. Рассмотрим работу МРП при n=3.
вх
и
01
02
и
При включении МРП и нулевом входном сигнале X релейные элементы 5-1…5-3 устанавливаются произвольным образом, например, в состояние +А/3 (фиг.3,в-д). Под действием сигнала развертки Y(t) с выхода интегратора 4 (фиг.3,б) происходит последовательное переключение в положение -А/3 блоков 5-1 и 5-2 (фиг.3,в, г, моменты времени t, t), после чего меняется направление развертывающего преобразования, и сигнал Y(t) на выходе интегратора нарастает в положительном направлении.
и
1
и
P2
P3
вых
Начиная с момента времени выполнения условия Y(t)=b, МРП 1 входит в режим устойчивых автоколебаний, когда амплитуда сигнала развертки Y(t) ограничена зоной неоднозначности релейного элемента 5-1, а блоки 5-2 и 5-3 находятся в статических и противоположных по знаку выходных сигналов Y(t), Y(t) состояниях (фиг.3,г, д). Выходная координата Y(t) МРП 1 формируется за счет переключений блока 5-1 (фиг.3,в) в первой модуляционной зоне, ограниченной пределами ±A/3 (фиг.3,е).
вх
0
0
вых
вх
вых
1
и
2
и
0
вх
При отсутствии X (фиг.3,а, t<t) среднее значение Y импульсов Y(t) равно нулю. Наличие входной координаты X<(А/3) (фиг.3,a,  влечет за собой изменение частоты и скважности импульсов Y(t), так как в интервале t (фиг.3,в) развертка Y(t) (фиг.3,б) изменяется под действием разности сигналов, подаваемых на сумматор 2 (фиг.3,а, е), а в интервале t-dY(t)/dt зависит от суммы этих воздействий. В результате Y≡X (фиг.3,е).
вх
вх
03
вых
1
2
и
0
вых
вх
Предположим, что в момент времени  сигнал Х увеличился дискретно до величины (А/3)<X<А (фиг.3,а). Это нарушает условия существования режима автоколебаний в первой модуляционной зоне, и МРП 1 переходит на этап переориентации состояний релейных элементов 5-2 и 5-3, который заканчивается в момент времени t, когда релейный элемент 5-3 переключается в положение -А/3 (фиг.3,д). Координата Y(t) достигает уровня - А (фиг.3,е), и МРП 1 переходит во вторую модуляционную зону, где в интервалах t, t (фиг.3,в) скорость формирования развертывающей функции Y(t) (фиг.3,б) также определяется разностью или суммой сигналов, воздействующих на сумматор 2 (Фиг.1). При этом сигнал Y включает постоянную составляющую -А/3 первой и среднее значение импульсного потока Y(t) второй модуляционных зон (фиг.3,е). Переход МРП 1 из одной модуляционной зоны в другую для малых приращений координаты X сопровождается переходом системы через характерные точки с нулевым значением частоты несущих колебаний (режим частотно-нулевого сопряжения модуляционных зон).
ВХ1
0
ВХ
На фиг.4 приведены диаграммы сигналов МРП 1, соответствующие случаю n=5 и уровню - X (фиг.4,ж), при котором МРП 1 работает в старшей модуляционной зоне второго квадранта статической характеристики Y=(-1)f(X).
0
ВХ1
ВХ1
ВХ1
01
02
03
04
05
0
ВХ
Предположим, что в момент времени t=t сигнал - X изменился на величину X=|-X| (фиг.4,ж). Тогда начиная с момента t (фиг.4,а, б), МРП 1 переходит в режим переориентации релейных элементов 5-1…5-5 (фиг.4,а, в-ж, моменты времени t, t, t, t), когда на их выходах устанавливается сигнал отрицательного знака, переводящий в конечном итоге МРП 1 в четвертый квадрант характеристики Y=(-1)f(X) (фиг.4,ж). После этого автоколебательный режим вновь возобновляется в тракте релейного элемента 5-1 (фиг 4,а, б), а остальные релейные элементы находятся в статическом положении (фиг.4,в-е).
Дифференцирующее звено 7 фиксирует перепады напряжения на выходе сумматора 3 путем формирования «коротких» импульсов со знаком, который соответствует знаку производной фронта выходного сигнала сумматора 3. Затем эти импульсы выпрямляются (демодулируются) с помощью блока 8 и запускают генератор 9 (фиг.4,з).
Модуляционная и амплитудная характеристики МРП 1 для случая нечетного числа РЭ представлены на фиг.5, которые показывают, что:
вх
- МРП 1 в каждой модуляционной зоне представляет собой систему с частотно-широтно-импульсной модуляцией, когда с ростом X частота выходных импульсов уменьшается и на границе раздела модуляционных зон становится равной нулю;
вх
- во всем диапазоне изменения входного воздействия X амплитудная характеристика МРП 1 является линейной, что объясняется замкнутым характером структуры МРП 1 и наличием интегратора в прямом канале регулирования;
- количество модуляционных зон «k» МРП 1 определяется числом «n» релейных элементов 4-1…4-n и равно:
|n≥3, 5, 7…
k=(n+1)/2
- режим автоколебаний всегда возникает в канале релейного элемента, имеющего минимальное значение порогов переключения. Остальные релейные элементы находятся в статических состояниях, знак которого зависит от порядкового номера модуляционной зоны;
0
ВХ
- при включении МРП 1 релейные элементы могут в первый момент времени ориентироваться произвольным образом, однако, это не влияет на вид характеристики Y=(-1)f(X), так как МРП представляет собой замкнутую систему с самоориентацией релейных элементов, возникающей под действием интегратора в прямом канале регулирования. Здесь (-1) - знак инвертирования МРП 1 полярности входного сигнала.
Ключи 6-1…6-(n-1) преобразуют биполярные импульсы с выхода релейных элементов 5-1…5-n в однополярный сигнал (фиг.2,в).
0
ВХ
0
Рассмотрим статическую характеристику Y=(-1)f(X) МРП на фиг.6,а для случая n=3. В дальнейшем выходному сигналу +А/3 релейного элемента 5-2…5-3 (или ключей 6-1, 6-2) присваиваем значение «1», а сигналу -А/3 (или сигналу «0» на выходе ключей 6-1…6-2) - значение «0». Здесь Y - среднее значение импульсов на выходе сумматора 3.
ВЫХ
ВЫХ
При числе релейных элементов, равном трем, количество модуляционных зон равно двум (фиг.6,а): 1-я зона находится в пределах ±А/3, вторая зона первого квадранта («2-я зона «-») ограничена пределами |-А/3|≤Y(t)≤|-A|, а вторая зона («2-я зона «+») формируется в диапазоне |А/3|≤Y(t)≤|A|. Состояние релейных элементов 5-2 и 5-3 для каждой из зон строго фиксировано. Учитывая, что в МРП 1 не предусмотрено каких-либо предустановок релейных элементов, первая модуляционная зона характеризуется двумя возможными состояниями релейных элементов 01 или 10. Для старших модуляционных зон возможно только одно состояние 11 или 00.
ВХ
Здесь и далее для модуляционных зон (за исключением первой) достаточно просто распознать знак входного сигнала: если число единиц превышает число нулей - входной сигнал имеет отрицательное значение. В противном случае - знак входного сигнала положительный. В дальнейшем знаковому разряду АЦП присваиваем «1», если X имеет положительную полярность.
0
ВХ
0
ВХ
На фиг.6,б и фиг.7 приведены статические характеристики Y=f(X) при n=5 и n=7 соответственно. Там же показана характеристика (пунктир), которую имел бы каскад на основе последовательно включенных предлагаемого АЦП и цифро-аналогового преобразователя (ЦАП). Ниже характеристик Y=f(X) представлены кодовые таблицы для МРП 1 с числом релейных элементов n=5 и n=7 соответственно. Их сравнительный анализ позволяет выявить следующие закономерности:
- в первой (младшей) модуляционной зоне количество «1» и «0» равно между собой независимо от числа «n» релейных элементов;
ВХ
- по мере удаления от младшей модуляционной зоны, например, влево по оси X в каждой последующей зоне количество «1» увеличивается на одну и в пределе (старшая модуляционная зона) все «0» замещаются «1»;
ВХ
- аналогичным образом при движении вправо по оси X по мере возрастания старшинства модуляционной зоны «1» последовательно замещаются «0» и для зоны, например, 3-я «-» полностью исчезают.
Таким образом, осуществляя подсчет «1» (или «0») в каждой из модуляционных зон можно получить десятичное число для данной зоны, которое в дальнейшем преобразуется в рабочий, например, двоичный код АЦП.
Для этой цели в рассматриваемом устройстве служит АЛУ 11, в функции которого входит:
1) определение числа «1» на выходе ключей 6-1…6-(n-1) и преобразование этого числа в рабочий код АЦП;
2) формирование знакового разряда выходного кода путем сравнения числа «1» и «0» (фактически путем мажоритарного принципа: «если «нулей» больше, следовательно, знак входного сигнала положительный» и знаковому разряду присваивается «1»). Младшая (первая) зона эквивалентна нулевому значению входного сигнала, и знак ей не присваивается.
Команда на выполнение АЛУ 11 заданной программы производится синхронно с фронтами выходного сигнала сумматора 3. Для этого служат дифференцирующее звено 7, демодулятор 8, генератор 9. Тем самым изменение кода фиксируется не только в процессе нахождения МРП1 в заданной модуляционной зоне, но и при его переходах из одной модуляционной зоны в другую.
После выполнения АЛУ 11 заданной операции с задержкой времени, формируемой элементом 10, данные из АЛУ 11 переносятся в регистр памяти 12.
R
Количество релейных элементов, необходимых для получения требуемой разрядности n АЦП, определяется из соотношения:
Например, для получения 8-разрядного АЦП необходим МРП на базе 511 релейных элемента, что может быть реализовано с использованием программных средств аналоговой и цифровой электроники. Предложенное техническое решение имеет следующие основные преимущества:
- АЦП является реверсивным (может работать с сигналами любого знака) в силу характеристик МРП 1;
- АЦП обладает повышенной помехоустойчивостью благодаря интегратору 4 в прямом канале МРП1;
- АЦП имеет повышенную точность работы, так как МРП 1 представляет собой замкнутую систему регулирования;
- АЦП не содержит тактового генератора, функции которого выполняет непосредственно МРП 1. Преобразование аналогового сигнала в код происходит не только в установившемся режиме, но и в процессе перехода МРП 1 из одной модуляционной зоны в другую.
Предлагаемый интегрирующий аналого-цифровой преобразователь может использоваться в системах управления при автоматизации технологических процессов.