CC BY
131
Сироткин С.Л., Sirotkin S.L.
кандидат технических наук, ведущий инженер-конструктор научно-конструкторского бюро «Моделирующие и управляющие системы» ФГАОУ ВО «Южный федеральный университет», Россия, г. Таганрог
Коньков А.Н., Konkov A.N.
начальник сектора Научно-конструкторского бюро «Моделирующие и управляющие системы» ФГАОУ ВО «Южный федеральный университет», Россия, г. Таганрог
Клименко В.В., КЫтвпко К.К.
ведущий инженер научно-конструкторского бюро «Моделирующие и управляющие системы» ФГАОУ ВО «Южный федеральный университет», Россия, г. Таганрог
УДК 621.317.087.92+681.3.05
НОНИУСНЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ КОДА ВО ВРЕМЕННОЙ ИНТЕРВАЛ
В настоящее время широко известен нониусный метод аналого-цифрового преобразования для случая преобразования временного интервала в код. Электронный нониус позволяет повысить точность преобразования без увеличения требований к быстродействию элементов схемы. В данной статье рассматривается обратное преобразование, т. е. нониусный метод цифро-аналогового преобразования для случая преобразования кода во временной интервал. Этот метод мало известен, но также позволяет повысить точность преобразования без увеличения требований к быстродействию элементов схемы. Поэтому эта тема актуальна. Приводятся примеры преобразования кода во временной интервал на основе использования как запускаемых генераторов импульсов, так и автогенераторов. Применение автогенераторов импульсов предпочтительней в связи с тем, что в предложенных схемах они используются в установившемся режиме при максимальной стабильности частоты в отличие от запускаемых генераторов, которые имеют высокую нестабильность частоты на начальном участке генерации. Приводится схема преобразования кода во временной интервал на основе использования многократной нониусной интерполяции. Многократная нониусная интерполяция позволяет многократно уточнять положение переднего фронта выходного интервала, что позволяет повысить точность преобразования в сравнении с однократной нониусной интерполяцией. На все описанные методы преобразования получены авторские свидетельства СССР. Описанные методы преобразования можно рекомендовать к использованию в прецизионных измерительных системах, в системах автоматического управления, в системах преобразования и обработки информации, для построения высокоточных управляемых линий задержки.
Ключевые слова: цифро-аналоговое преобразование, код, временной интервал, электронный нониус, быстродействие, запускаемый генератор, автогенератор, стабильность частоты, многократная но-ниусная интерполяция, точность преобразования, управляемая линия задержки.
THE VERNIER CONVERTERS CODE IN TIME INTERVAL
It is now widely known Vernier method of analog-to-digital conversion for the case of a conversion of a time interval in the code. Electronic Vernier allows to improve the accuracy of conversion without increasing requirements on the performance of the circuit elements. This article discusses the inverse transform, i.e. Vernier
method of digital-to-analog conversion for the case of code conversion in the time interval. This method is little known, but also improves the accuracy of the conversion without increasing requirements on the performance of the circuit elements So this topic is relevant. Examples of code conversion in the time interval on the basis of use as the startup pulse generators and oscillators. The use of pulse oscillators is preferable due to the fact that in the proposed schemes, they are used in steady mode for maximum frequency stability unlike run generators, which have a high frequency instability on the initial site of generation that in the proposed schemes, they are used in steady mode for maximum frequency stability unlike run generators, which have a high frequency instability on the initial site of generation. The scheme code conversion into the time interval based on the use of multiple Vernier interpolation. Multiple Vernier interpolation allows you to repeatedly check the position of the leading edge of the output interval, which improves the conversion accuracy in comparison with single Vernier interpolation. All described methods of converting the received copyright certificates of the USSR. Described transformation methods can be recommended for use in precision measuring systems, automatic control systems, conversion systems and information processing for managed construction of high-precision delay lines.
Key words: digital-analog conversion, code, time interval, electronic vernier, operation speed, run the generator, oscillator, frequency stability, multiple vernier interpolation, conversion accuracy, controlled delay line.
Термин «нониусный метод» впервые появился для обозначения метода измерения линейных геометрических величин, например, измерение размеров с помощью штангенциркуля [1]. Он основан на сравнении двух шкал, размеры делений которых отличаются на требуемую ступень квантования. Нони-
усный метод широко применяется в электронике для аналого-цифрового преобразования.
На рисунке 1 представлена известная структура нониусного преобразователя временного интервала в цифровой код [1]. На рисунке 2 представлена временная диаграмма работы данного преобразователя.
Рис. 1. Нониусный преобразователь временного интервала в код
По импульсу «Начало интервала» запускается опорный генератор импульсов (ГО) и триггер Т1 включается в состояние, разрешающее элементу И1 пропускание импульсов от ГО на вход основного счетчика (СТО). СТО начинает заполняться импульсами от ГО до тех пор, пока не поступит сигнал «Конец интервала». По сигналу «Конец интервала» запускается нониусный генератор (ГН), триггер Т1 переключается в противоположное состояние и закрывает элемент «И1», СТО останавливается, формируя старшие разряды выходного кода.
Одновременно с этим по сигналу «Конец интервала» открывается элемент И2 и импульсы от
ГН начинают заполнять нониусный счетчик (СТН). При совпадении импульсов ГО и ГН срабатывает элемент И3, который переключает триггер Т2 в противоположное состояние, элемент И2 закрывается и СТН останавливается, формируя младшие разряды выходного кода. Результат преобразования определяется по совокупности показаний СТО и СТН.
Таким образом, «электронный нониус» повышает точность преобразования без существенного повышения требований к быстродействию элементов схемы, поскольку частоты генераторов ГО и ГН близки между собой.
В отличие от нониусного аналого-цифрового
Рис. 2. Временная диаграмма работы преобразователя временного интервала в код
преобразования нониусное цифро-аналоговое преобразование встречается существенно реже, хотя высокие требования предъявляются к точности преобразования в обоих случаях.
В данной статье рассматриваются защищенные авторскими свидетельствами СССР нониусные преобразователи кода во временной интервал, увеличи-
вающие точность преобразования без повышения требований к быстродействию элементов схемы [2-5].
На рисунке 3 представлена схема нониусного преобразователя кода во временной интервал [2]. На рисунке 4 представлена временная диаграмма работы данного преобразователя.
Рис. 3. Нониусный преобразователь кода во временной интервал
По сигналу «Начальная установка» триггеры Т1 и Т2 устанавливаются в состояние, разрешающее работу преобразователя. Входной цифровой код разбивается на старшие и младшие разряды. По сигна-
лу «Запись» инверсный код старших разрядов записывается в СТО, а младшие разряды входного кода в прямом виде записываются в СТН.
Рис. 4. Временная диаграмма работы нониусного преобразователя кода во временной интервал
По сигналу «Пуск» переключается триггер Т1, запускаются одновременно оба генератора ГО и ГН и начинают вычитаться импульсы в СТН. В это время вычитающий вход СТО закрыт схемой И. Когда СТН обнулится, импульс с его выхода обнуления переключит триггер Т2 и сформируется начало выходного интервала на шине «Выход». После этого начнут поступать импульсы на вычитающий вход СТО. При обнулении СТО его импульс обнуления через элемент ИЛИ переключит триггер Т2 и сформируется конец выходного интервала на шине «Выход».
Таким образом, с помощью нониусного метода уточняется временное положение переднего фронта выходного интервала, т. е. повышается точность преобразования. Уточнение длительности формируемого временного интервала происходит за счет того, что период следования импульсов нониусной последовательности Т отличается от периода следо-
вания импульсов опорной последовательности То на цену деления младшего разряда цифрового эквивалента разности Atx между длительностью формируемого интервала и суммарной длительностью периодов опорной последовательности T , число которых зафиксировано опорным счетчиком СТО.
Результат преобразования определяется формулой
t = t + At = T [N + h-a(N -N )],
x o x cL o v н max н' л~
где No - число импульсов, поступающее в опорный счетчик СТО до момента его обнуления; Nk - число импульсов, поступающее в нониусный счетчик СТН до момента его обнуления; N - максимальное
н max
число импульсов, фиксируемое нониусным счетчиком СТН; h - основание системы счисления; а -число младших разрядов входного кода, выделяемое для нониусной интерполяции.
Начальная установка
Рис. 5. Нониусный преобразователь кода во временной интервал на основе использования автогенераторов
го П 1 П п [ п п п р р р 1
ГН
Начальная установка
Запись
Пуск 1
Т1
И1 i
ЛЗ
И2
ОВ
Т2
ИЗ
Прямой код младших разрядов
И4
Инверсный код старших разрядов
ТЗ (Выход) t
Рис. 6. Временная диаграмма работы преобразователя кода во временной интервал на основе автогенераторов
Недостатком этого метода преобразования является то, что в данной схеме используется начальный участок работы запускаемых генераторов ГО и ГН. На этом участке стабильность генерации невысокая, что снижает точность преобразования.
Для устранения указанного недостатка в [3] предложено использовать автогенераторы для формирования опорной и нониусной частот. Это увеличивает время преобразования, т. к. добавляется время ожидания совпадения импульсов опорного и нониусного автогенераторов, но при этом увеличивается точность преобразования за счет использования нониусного принципа и за счет того, что автогенераторы вырабатывают стабильную установившуюся частоту. На рисунке 5 представлена схема нониусного преобразователя кода во временной интервал на основе использования автогенераторов. На рисунке 6 представлена временная диаграмма работы данного преобразователя.
Перед началом работы преобразователя производится запись инверсного значения старших разрядов входного кода в СТО и прямого кода младших разрядов входного кода в СТН. По сигналу «Начальная установка» устанавливаются в исходное состояние триггеры Т1, Т2, Т3 и преобразователь готов к работе. Автогенераторы ГО и ГН вырабатывают стабильные установившиеся частоты.
По сигналу «Пуск» переключается триггер Т1 и разрешается работа схемы И1. Когда фазы генераторов ГО и ГН совпадают не полностью, схема И1
вырабатывает узкие импульсы, которые задерживаются на линии задержки (ЛЗ). Если длительность импульса на выходе И1 меньше длительности импульсов автогенераторов ГО и ГН, а время задержки в ЛЗ равно длительности импульсов генераторов, то схема И2 не срабатывает. При полном совпадении фаз автогенераторов ГО и ГН схема И2 срабатывает и запускает одновибратор (ОВ), который формирует импульс определенной длительности. По заднему фронту импульса от ОВ срабатывает триггер Т2, открывается схема И3 и импульсы ГН начинают вычитаться на СТН. Импульс обнуления СТН переключает триггер Т3, который формирует начало выходного интервала на шине «Выход». Одновременно с этим открывается схема И4 и импульсы ГО начинают вычитаться на СТО. Импульс обнуления СТО переключает триггер Т3, и на его выходе формируется конец выходного интервала на шине «Выход».
При аналого-цифровом нониусном преобразовании для повышения точности может использоваться многократная нониусная интерполяция [1]. В [4] предложено использовать многократную нониусную интерполяцию для цифро-аналогового преобразования на примере преобразователя кода во временной интервал.
На рисунке 7 представлена структура преобразователя кода во временной интервал с использованием многократной нониусной интерполяции, построенного на основе использования запускаемых генераторов.
Начальная установка
Запись
Старшие разряды
Младшие разряды 1
Пуск
Младшие разряды 2
Младшие разряды N
го и
г
ГН1
ГН2
ГНЫ
4 СТО
ИЛИ
СТН1
! СТН2
• •
СТНЫ
Т1
Т2
* ты
Выход
Рис. 7. Нониусный преобразователь кода во временной интервал с многократной нониусной интерполяцией
Рис. 8. Универсальный нониусный преобразователь кода во временной интервал и временного интервала в код
Входной код разбивается на группы разрядов: группа основного кода и N групп нониусного кода. Работа преобразователя аналогична работе с однократной нониусной интерполяцией, только уточнение положения переднего фронта выходного временного интервала происходит многократно за счет использования нескольких нониусных шкал и соответственно несколько нониусных запускаемых генераторов ГШ.ГНК Недостатком такого пре-
образователя также является нестабильность частот генераторов на начальном участке генерации.
Устранение указанного недостатка достигается за счет использования автогенераторов, но при этом увеличивается время преобразования.
Применение автогенераторов для преобразования временного интервала в код и преобразования кода во временной интервал наиболее эффективно, если требуется многоканальное преобразование,
т. к. для всех каналов прямого и обратного преобразования можно использовать один и тот же узел, фиксирующий совпадение фаз автогенераторов. Кроме того, в режиме нониусного преобразования временного интервала в код в каждом канале счетчики СТО и СТН заполняются тактовой частотой, в два раза большей частоты одного генератора, что дает возможность в два раза снизить погрешность преобразования, возникающую от несинхронизации с тактами начала и конца преобразуемого временного интервала. Структура такого преобразователя приведена в [5] и на рисунке 8. По сигналу «Интервал-код» преобразователь работает в режиме многоканального преобразования интервала в код, а по сигналу «Код-интервал» - в режиме многоканального нониусного преобразования.
На основании вышеизложенного можно сделать следующие выводы.
1. Нониусный способ преобразования повышает точность преобразования без увеличения требований к быстродействию элементов схемы как при аналого-цифровом, так и при цифро-аналоговом преобразовании.
2. Многократный «нониус» позволяет повысить точность преобразования по сравнению с однократным «нониусом» за счет использования в одном преобразователе нескольких нониусных шкал.
3. Применение автогенераторов существенно повышает точность преобразования, особенно в сочетании c использованием многократной нониусной интерполяции.
4. Можно рекомендовать для повышения точности цифро-аналогового преобразования более широкое применение нониусных методов.
Список литературы
1. Богородицкий А.А. Нониуснные аналого-цифровые преобразователи [Текст] / А.А. Богородицкий, А.Г. Рыжевский. - М.: Энергия, 1975. - 120 с.
2. Авторское свидетельство СССР № 1034174, кл. Н03К 13/20 Нониусный преобразователь кода во временной интервал [Текст] / С.Л. Сироткин, В.В. Клименко, В.А. Гаманко. - БИ № 29. - 1983.
3. Авторское свидетельство СССР № 1275770, кл. Н03М 1/50 Нониусный преобразователь кода во временной интервал [Текст] / С.Л. Сироткин, В.В. Клименко, В.А. Гаманко, В.Г. Шаповал. - БИ № 45.
- 1986.
4. Авторское свидетельство СССР № 1238242, кл. Н03М 1/82 Нониусный преобразователь кода во временной интервал [Текст] / С.Л. Сироткин, А.Н. Коньков, В.В. Клименко, Ю.А. Куликов. - БИ № 22.
- 1986.
5. Авторское свидетельство СССР № 1637024, кл. Н03М 1/82 Нониусный преобразователь кода во временной интервал [Текст] / С.Л. Сироткин. - БИ № 11. - 1991.
References
1. Bogorodickij A.A. Noniusnnye analogo-cifrovye preobrazovateli [Tekst] / A.A. Bogorodickij, A.G. Ryzhevskij. - M.: Jenergija. 1975. - 120 s.
2. Avtorskoe svidetel'stvo SSSR № 1034174, kl. N03K 13/20 Noniusnyj preobrazovatel' koda vo vremennoj interval [Tekst] / S.L. Sirotkin, V.V. Klimenko, V.A. Gamanko. - BI № 29. - 1983.
3. Avtorskoe svidetel'stvo SSSR № 1275770, kl. N03M 1/50 Noniusnyj preobrazovatel' koda vo vremennoj interval [Tekst] / S.L. Sirotkin, V.V. Klimenko, V.A. Gamanko, V.G. Shapoval. - BI № 45.
- 1986.
4. Avtorskoe svidetel'stvo SSSR № 1238242, kl. N03M 1/82 Noniusnyj preobrazovatel' koda vo vremennoj interval [Tekst] / S.L. Sirotkin, A.N. Kon'kov, V.V. Klimenko, Ju.A. Kulikov. - BI № 22. - 1986.
5. Avtorskoe svidetel'stvo SSSR № 1637024, kl. N03M 1/82 Noniusnyj preobrazovatel' koda vo vremennoj interval [Tekst] / S.L. Sirotkin. - BI № 11.
- 1991.
