СПОСОБ АНАЛОГО-ЦИФРОВОГО ПРЕОБРАЗОВАНИЯ НАПРЯЖЕНИЯ Российский патент 2025 года по МПК H03M1/36 

Изобретение относится к электронным схемам общего назначения и предназначено для осуществления аналого-цифрового преобразования напряжения путем сравнения аналоговой величины одновременно с несколькими уровнями опорного напряжения.

Аналого-цифровое преобразование физической величины, для которой принята аналоговая модель, осуществляется в цифровых средствах измерений, цифровых системах управления и связи и состоит в преобразовании аналоговой величины в числовой код. Числовое кодирование аналоговой величины позволяет вводить измерительную информацию в цифровое вычислительное устройство, которое осуществляет регистрацию, хранение, обработку кодированной информации и представление её в форме, удобной для передачи и дальнейшего использования при наличии помех различной природы.

Величиной, наиболее часто подвергаемой аналого-цифровому преобразованию, является электрическое напряжение. Аналого-цифровое преобразование напряжения основано на сравнении преобразуемого напряжения с известным опорным напряжением. Известны различные способы аналого-цифрового преобразования напряжения, отличающиеся числом используемых в процессе преобразования уровней опорного напряжения, последовательностью проведения операций сравнения преобразуемого напряжения с одним или несколькими значениями опорного напряжения (параллельно, т.е. одновременно, или последовательно во времени), формированием опорного напряжения, изменяющегося во времени по известному, чаще всего линейному, закону, наличием или отсутствием промежуточного преобразования напряжения в процессе аналого-цифрового аналоговой величины в другую аналоговую величину, в частности, с промежуточным преобразованием в длительность временного интервала, наличием или отсутствием преобразования формы преобразуемого напряжения, в частности, посредством интегрирования.

Известен способ аналого-цифрового преобразования напряжения [1, с. 157-159], состоящий в интегрировании преобразуемого напряжения U_X с постоянной времени в течение времени изменения результата интегрирования до уровня опорного напряжения U₀, возврате результата интегрирования преобразуемого напряжения к исходному уровню путем интегрирования импульса напряжения отрицательной обратной связи прямоугольной формы амплитудой U_oc и длительностью t_oc с полярностью, противоположной полярности преобразуемого напряжения U_x с циклическим повторением описанных действий, формировании интервала времени интегрирования T_xn в каждом n-ом цикле преобразования, определении среднего арифметического T_xСР длительностей интервала времени интегрирования путем счёта числа n интервалов времени интегрирования T_x в течение интервала времени T_пр = N₀ / f₀ аналого-цифрового преобразования (T_пр>>T_x), формируемого путем счета импульсов опорной частоты f₀ до определенного числа N₀ и формировании значения N_x кода результата аналого-цифрового преобразования среднего арифметического U_Xср значений U_Xn преобразуемого напряжения U_x в n–ом цикле преобразования в течение интервала времени T_пр аналого-цифрового преобразования в соответствии с выражением

Недостатками известного способа являются искажение формы преобразуемого напряжения U_x в процессе интегрирования, потери информации о форме преобразуемого напряжения U_x в течение интервала времени t_ос возврата результата интегрирования преобразуемого напряжения и импульса напряжения прямоугольной формы к исходному уровню, невозможность восстановления формы преобразуемого напряжения U_x на интервале времени Т_пр аналого-цифрового преобразования по его среднему значению U_Xср на этом интервале.

Известен также способ аналого-цифрового преобразования напряжения [2, с. 18-19], состоящий в циклическом, с постоянной длительностью цикла T₀, последовательном во времени формировании K (k=0,1,2,…K) уровней U_0К опорного напряжения U₀ в порядке возрастания с разностью между уровнями ΔU₀, сравнении преобразуемого напряжения U_X с текущим уровнем U_0К опорного напряжения U_0, регистрации момента превышения очередным уровнем U_0К опорного напряжения U₀ преобразуемого напряжения U_X, формировании интервала времени T_X от момента начала цикла аналого-цифрового преобразования до момента превышения очередным уровнем U_0К опорного напряжения U₀ напряжения (T_X<T₀), измерение длительности интервала времени T_X путем определения числа N_X = foT_x импульсов опорной частоты f₀, формируемых в течение этого интервала времени, и формировании результата аналого-цифрового преобразования преобразуемого напряжения U_X в виде последовательности значений N_Х1, N_Х2, …N_X3 кода результата аналого-цифрового преобразования преобразуемого напряжения U_X, формируемых через равные интервалы времени, длительность которых равна длительности частного цикла преобразования T₀.

Недостатком известного способа аналого-цифрового преобразования напряжения является потери информации о форме преобразуемого напряжения U_X, обусловленные его интегрированием в течение интервала времени интегрирования до и после момента регистрации превышения преобразуемого напряжения U_X очередным уровнем U_0К опорного напряжения U₀, и времени возврата результата интегрирования опорного напряжения U₀ к исходному нулевому значению.

Наиболее близким к предполагаемому изобретению по технической сущности (прототип) является способ параллельного аналого-цифрового преобразования напряжения [2, с. 223-224], состоящий в том, что

формируют K (K>2) уровней U_0К опорного напряжения U₀ с равной разностью ΔU₀ между уровнями, формируют импульсы напряжения с известной опорной частотой f₀ в течение всего времени T_пр аналого-цифрового преобразования; формируют частные циклы преобразования равной длительности T₀ путём отсчетов определенного числа N₀ импульсов напряжения с опорной частотой f₀; сравнивают преобразуемое напряжение U_X со всеми K уровнями U_0K опорного напряжения U₀ параллельно во времени в течение всего интервала времени преобразования Т_пр; регистрируют одновременно результаты сравнения преобразуемого напряжения U_X со всеми K уровнями U_0K опорного напряжения U₀ через равные интервалы времени длительностью T₀; формируют результат аналого-цифрового преобразования преобразуемого напряжения U_X в виде последовательности значений N_X1, N_X2, N_X3,… позиционного двоичного кода, определяемого результатами параллельного сравнения преобразуемого напряжения U_X с уровнями U_0K опорного напряжения U_0, формируемыми через равные интервалы времени длительностью T₀.

Недостатком известного способа аналого-цифрового преобразования напряжения являются потери информации о форме преобразуемого напряжения U_X между моментами одновременной регистрации результатов сравнений преобразуемого напряжения со всеми K уровнями U_0K опорного напряжения U₀, следующими через равные интервалы времени длительностью T₀. На фиг. 1 показано, что результат аналого-цифрового преобразования в виде последовательности значений N_X1, N_X2, N_X3,… позиционного кода, формируемых через интервалы времени длительностью T₀ в моменты времени t₁, t₂, t₃… не содержит информации о том, преобразуемое напряжение U_X превысило уровень U₀₂ опорного напряжения U₀ в течение интервала времени t от момента времени t₅ до момента времени t₈ и уровня U₀₃ опорного напряжения U₀ в течение интервала времени t от момента времени t₆ до момента времени t_7. Причина возникновения указанного недостатка известного способа аналого-цифрового преобразования состоит в том, что регистрация результатов сравнения преобразуемого напряжения U_X со всеми K уровнями U_0K опорного напряжения U₀ осуществляется через интервалы времени длительностью T₀, и эти моменты регистрации не зависят от формы преобразуемого напряжения U_X, в частности, от моментов равенства преобразуемого напряжения U_X одному из уровней U_0K опорного напряжения U₀.

Цель предлагаемого изобретения состоит в минимизации потерь информации о форме преобразуемого напряжения в процессе параллельного аналого-цифрового преобразования напряжения.

Предлагаемое изобретение направлено на минимизацию потерь информации о форме преобразуемого напряжения при использовании известного способа параллельного аналого-цифрового преобразования напряжения U_X, которые обусловлены независимостью моментов одновременной регистрации результатов сравнений преобразуемого напряжения со всеми K уровнями U_0K опорного напряжения U₀, следующими через равные интервалы времени длительностью T₀, от моментов равенства преобразуемого напряжения U_X одному из уровней U_0K опорного напряжения U₀.

Для минимизации потерь информации о форме преобразуемого напряжения U_X при реализации известного способа параллельного аналого-цифрового преобразования напряжения, заключающегося в том, что в течение интервала времени преобразования T_пр

- формируют K уровней U_0K опорного напряжения U₀ в диапазоне изменения преобразуемого напряжения U_X, причем K>2, а разности ΔU₀ между уровнями U_0K опорного напряжения U₀ делают равными;

- формируют импульсы напряжения с известной опорной частотой f₀;

- сравнивают в течение всего времени преобразования преобразуемое напряжение U_X со всеми K уровнями U_0K опорного напряжения U₀ параллельно во времени;

- формируют результат преобразования напряжения U_X в виде последовательности значений кода, определяемого результатами сравнений преобразуемого напряжения U_X с уровнями U_0K опорного напряжения U₀,

в отличие от известного способа,

- нумеруют уровни U_0K опорного напряжения U₀ от 0 до K,

- регистрируют и нумеруют каждый m–ный момент равенства преобразуемого напряжения U_X уровню U_0k опорного напряжения U₀;

- считают количество N_Xm импульсов опорной частоты f₀ от m–го момента равенства преобразуемого напряжения U_X уровню U_0k опорного напряжения U₀ до (m+1)–го момента равенства преобразуемого напряжения U_X уровню U_0k опорного напряжения U₀, а при формировании результата преобразования напряжения U_X в виде последовательности значений кода, определяемых результатами сравнений преобразуемого напряжения U_X с уровнями U_0K опорного напряжения U_0, m-ное значение кода результата преобразования формируют из номера m момента равенства преобразуемого напряжения U_X уровню U_0k опорного напряжения U₀, номера k уровня U_0k опорного напряжения U_0, которому равно преобразуемое напряжение U_X в m–ный момент времени и результата N_Xm счета импульсов опорной частоты f₀ от m-ного до (m+1)–го момента равенства напряжений преобразуемого напряжения U_X уровню U_0k опорного напряжения U₀, причем первое значение кода результата преобразования формируют с момента начала интервала времени преобразования T_пр со значениями параметров m=0, k равно номеру максимального из уровней U_0k опорного напряжения U₀ меньших уровня преобразуемого напряжения U_X в момент начала интервала времени преобразования T_пр, а моменту окончания интервала времени преобразования T_пр преобразования присваивают номер m, следующий за номером последнего момента равенства преобразуемого напряжения U_X уровню U_0k опорного напряжения U₀.

На фигуре 2 приведен алгоритм осуществления предлагаемого способа аналого-цифрового преобразования напряжения. Сплошными линиями обведены операции предлагаемого способа, выполняемые также, как при реализации известного способа. Пунктирными линиями обведены новые операции, отличающие предлагаемый способ от известного способа. Сплошной и пунктирной линиями обведены операции известного способа, выполняемые в предлагаемом способе иначе.

При реализации предлагаемого способа аналого-цифрового преобразования напряжения формирование уровней U_0k опорного напряжения U₀ и импульсов опорной частоты f₀, а также сравнение преобразуемого напряжения U_X со всеми K уровнями U_0k опорного напряжения U₀ осуществляют в соответствии с известным способом параллельного аналого-цифрового преобразования. В отличие от известного способа, перед началом преобразования уровни U_0k опорного напряжения U₀ нумеруют (k=0,1,2,…,K).

С момента начала интервала времени преобразования T_пр осуществляют регистрацию и нумерацию m (m=0,1,2,3…) моментов равенства преобразуемого напряжения U_X уровню U_0k опорного напряжения U₀, при этом момент начала интервала времени преобразования T_пр считают моментом равенства преобразуемого напряжения U_X уровню U_0k опорного напряжения U₀ с присвоением номера m=0. В этот же момент времени определяют начальное значение переменной k. Переменной k присваивают номер k₀ максимального из уровней U_0k опорного напряжения U₀, меньших уровня преобразуемого напряжения U_X.

С момента начала интервала времени преобразования T_пр начинают измерение длительности интервала времени от момента начала аналого-цифрового преобразования до момента, которому присваивают номер m=1, равенства преобразуемого напряжения U_X одному из уровней U_0k опорного напряжения U₀ путем счета количества импульсов опорной частоты f₀ в течение этого интервала времени. Результат измерения длительности интервала времени N_X0 регистрируют и формируют первое значение кода результата аналого-цифрового преобразования из трёх компонентов: m=0, k=k₀, N_X0.

Формирование значений кода результата аналого-цифрового преобразования напряжения предлагаемым способом, в отличие от известного способа, согласно которому значения кода результата аналого-цифрового преобразования формируются через интервалы времени равной длительности T₀ в моменты времени, не связанные с изменениями преобразуемого напряжения U_X, осуществляется синхронно с регистрацией моментов равенства преобразуемого напряжения U_X уровню U_0k опорного напряжения U₀. Описанная последовательность действий от момента равенства преобразуемого напряжения U_X уровню U_0k опорного напряжения U₀, которому присвоен номер m=2 продолжается до момента окончания интервала времени преобразования T_пр. После регистрации каждого очередного момента равенства преобразуемого напряжения U_X уровню U_0k опорного напряжения U₀ формируется соответствующее значение кода результата преобразования. В момент окончания интервала времени преобразования T_пр счёт импульсов опорной частоты f₀, начавшийся в последний момент равенства преобразуемого напряжения U_X уровню U_0k опорного напряжения U₀ останавливают и формируют последнее значение кода результата аналого-цифрового преобразования напряжения.

Преимуществом предлагаемого способа аналого-цифрового преобразования напряжения перед известным способом параллельного аналого-цифрового преобразования является минимальная динамическая погрешность преобразования за счет регистрации моментов равенства преобразуемого напряжения уровням опорного напряжения и измерения длительности интервалов времени между этими моментами, что позволяет измерять длительность интервала времени от момента начала преобразования до каждого момента равенства преобразуемого напряжения уровню опорного напряжения.

Другим преимуществом предлагаемого способа перед известным является полное исключение возможности потери информации о изменении преобразуемого напряжения на величину, превышающую разность между уровнями опорного напряжения в течение интервала времени, длительность которого меньше периода формирования кодов результата преобразования известным способом.

На фигуре 3 представлена временная диаграмма аналого-цифрового преобразования напряжения U_X предлагаемым способом при числе уровней К=6 опорного напряжения U₀ при разности ΔU₀ между значениями уровней опорного напряжения.

В момент начала интервала времени T_пр аналого-цифрового преобразования напряжения m = 0. По результатам сравнения преобразуемого напряжения U_X со всеми шестью уровнями опорного напряжения U₀ k = 0, поскольку в момент начала интервала времени преобразования T_пр уровень преобразуемого напряжения U_X выше только уровня U₀₀ (k=0). В течение всего интервала времени преобразования T_пр аналого-цифрового преобразования формируются импульсы опорной частоты f_o. В момент начала преобразования начинается подсчет импульсов опорной частоты f_o, который прекращается в момент времени t₁, в который уровень преобразуемого напряжения U_X равен первому уровню U₀₁ (k=1) опорного напряжения U₀. Результат N_X0 счета импульсов опорной частоты f₀ в течение интервала времени [t_1, t₀] совместно с номером k=0 уровня опорного напряжения U₀ на этом интервале формируют первое значение кода результата аналого-цифрового преобразования предлагаемым способом: 0,0,N_X0. В момент времени t₁ переменной m присваивается значение m=1, и начинается счет импульсов опорный частоты f₀ до значения N_X1 в момент времени t₂ равенства преобразуемого напряжения U_X уровню U₀₂ (k=2) опорного напряжения U_0. В момент времени t₂ формируется второе значение кода результата преобразования: 1,1,N_X1. Далее аналого-цифровое преобразование предлагаемым способом осуществляется аналогичным образом до момента времени t_8. В момент времени t₈ регистрируется восьмой момент равенства преобразуемого напряжения U_X одному из K уровней U_0k опорного напряжения U₀ (m=8), а именно, k=2. В момент t₈ заканчивается счет импульсов опорной частоты f₀ в течение интервала времени [t_7, t₈] c формированием результата счета N_X7, и начинается счёт импульсов опорной частоты f₀, который должен продолжаться до следующего момента равенства преобразуемого напряжения U_X одному из уровней U_0k опорного напряжения U₀, но прерывается в момент окончания интервала времени преобразования T_пр на значении N_X8. Уровню U_0k опорного напряжения U₀ на интервале времени [t_8, t_пр] приписывается номер k=2.

Таким образом, за время преобразования T_пр формируются 8 значений кода результата аналого-цифрового преобразования напряжения U_X: 0,0,N_X0; 1,1,N_X1;

2,2,N_X2; 3,3,N_X3; 4,4,N_X4; 5,4,N_X5; 6,3,N_X6; 7,2,N_X7; 8,2,N_X8.

Таким образом, совокупность существенных признаков придает предлагаемому способу аналого-цифрового преобразования напряжения новые по сравнению с известным способом свойства, которые формируют следующий технический результат применения предлагаемого способа:

- в каждый момент равенства преобразуемого напряжения уровню опорного напряжения производится отражающее это равенство изменение значения кода результата преобразования, что минимизирует динамическую погрешность, имеющую место у прототипа из-за того, то регистрация результатов сравнения преобразуемого напряжения с уровнями опорного напряжения производят периодически независимо от изменений преобразуемого напряжения

- исключена возможность потери информации о двух моментах равенства преобразуемого напряжения одному опорному уровню в течение периода регистрации результатов сравнений преобразуемого напряжения с уровнями опорного напряжения, которая имеет место для прототипа.

Проведенный анализ уровня техники позволил установить, что аналоги, характеризующиеся совокупностью признаков, идентичных всем признакам заявляемого технического решения, отсутствуют, что указывает на соответствие заявляемого способа аналого-цифрового преобразования напряжения критерию охраноспособности «новизна».

Результаты поиска известных решений в данной и смежных областях техники с целью выявления признаков, совпадающих с отличительными признаками заявляемого способа аналого-цифрового преобразования напряжения, показали, что в общедоступных источниках информации не выявлены решения, имеющие признаки, совпадающие с его отличительными признаками.

Из уровня техники также не подтверждена известность влияния отличительных признаков заявляемого изобретения на указанный заявителем технический результат, состоящий в минимизации потерь информации о форме преобразуемого напряжения в процессе аналого-цифрового преобразования. следовательно, заявляемое изобретение соответствует условию «изобретательский уровень».

Предлагаемое техническое решение применимо в электронных схемах общего назначения при решении задачи аналого-цифрового преобразования аналогового напряжения произвольной формы в цифровой код.

Результаты аналого-цифровым преобразования U_X предлагаемым способом могут быть использованы для восстановления формы преобразуемого напряжения. Восстановление формы преобразуемого напряжения U_X на интервалах времени t_m<t<t_m+1 методом линейной интерполяции осуществляется следующим образом:

если , то интерполирующая функция на этом на этом интервале времени имеет вид

;

если , то интерполирующая функция на этом интервале времени имеет вид

;

если , m+1 – четное число, то интерполирующая функция на этом интервале времени имеет вид

,

если , m+1 – нечетное число, то интерполирующая функция на этом интервале времени имеет вид

.

Результат восстановления формы преобразуемого напряжения U_X по результату аналого-цифрового преобразования предлагаемым способом методом линейной интерполяции представлен пунктирной линией на фиг. 4. Восстановление формы напряжения преобразуемого напряжения U_X возможно как после окончания интервала времени T_пр, так и непосредственно в процессе аналого-цифрового преобразования. Кроме линейной интерполяции, может использоваться интерполяция сплайнами второго и более высоких порядков, а также интерполяция другими функциями времени.

Другой областью использования результатов аналого-цифрового преобразования напряжения предлагаемым способом является построение гистограммы распределения вероятностей приобретения преобразуемым напряжением U_X значения, принадлежащего одному из K-1 интервалов ΔU_0, на которые разделено опорное напряжение U_0, в течение времени аналого-цифрового преобразования.

Пример. При аналого-цифровом преобразовании напряжения Ux в соответствии фиг. 3 в течение времени преобразования T_пр получены результаты, представленные на фиг. 5.

Из таблицы на фиг. 5 формируются значения результата счета импульсов опорной частоты f₀, в течение времени нахождения преобразуемого напряжения U_X в каждом из интервалов ΔU₀ опорного напряжения U₀, приведенные в таблице на фиг. 6.

Гистограмма распределения значений преобразуемого напряжения по интервалам между уровнями опорного напряжения по данным таблицы фиг.6 представлена на фиг. 7.

Гистограмма позволяет получить непараметрическую оценку распределения плотности вероятности, которая может использоваться при анализе больших объемов данных.

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

1. Шляндин В.М. Цифровые измерительные преобразователи и приборы. М., Высшая школа, 1973. – 280 с.

2. Аналого-цифровое преобразование. Под ред. Уолта Кестнера. М.: Техносфера, 2007. – 1016 с.

Изобретение относится к аналого-цифровому преобразованию напряжения. Технический результат - минимизация потерь информации о форме преобразуемого напряжения в процессе параллельного аналого-цифрового преобразования напряжения. Для этого предложен способ аналого-цифрового преобразования напряжения, заключающийся в том, что формируют уровни опорного напряжения в диапазоне изменения преобразуемого напряжения; нумеруют их; формируют импульсы напряжения с известной опорной частотой; сравнивают преобразуемое напряжение со всеми уровнями опорного напряжения; регистрируют и нумеруют каждый момент равенства преобразуемого напряжения уровню опорного напряжения; считают количество импульсов опорной частоты от момента равенства преобразуемого напряжения уровню опорного напряжения момента равенства преобразуемого напряжения уровню опорного напряжения; значения кода результата преобразования формируют из номера момента равенства преобразуемого напряжения уровню опорного напряжения с момента начала интервала времени преобразования, номера уровня опорного напряжения, которому равно преобразуемое напряжение в данный момент времени, и результата счета импульсов опорной частоты. 7 ил.

Способ аналого-цифрового преобразования напряжения, заключающийся в том, что в течение интервала времени преобразования T_пр

- формируют K уровней U_0K опорного напряжения U₀ в диапазоне изменения преобразуемого напряжения U_X, причем K>2, а разности U₀ между уровнями U_0K опорного напряжения U₀ делают равными;

- формируют импульсы напряжения с известной опорной частотой f₀;

- сравнивают преобразуемое напряжение U_X со всеми K уровнями U_0K опорного напряжения U₀ параллельно во времени;

- формируют результат преобразования напряжения U_X в виде последовательности значений кода, определяемого результатами сравнений преобразуемого напряжения U_X с уровнями U_0K опорного напряжения U₀,

отличающийся тем, что:

- нумеруют уровни U_0K опорного напряжения U₀ от 0 до K ;

- регистрируют и нумеруют каждый m-й момент равенства преобразуемого напряжения U_X уровню U_0k опорного напряжения U₀,

- считают количество N_Xm импульсов опорной частоты f₀ от m–го момента равенства преобразуемого напряжения U_X уровню U_0k опорного напряжения U₀ до (m+1)–го момента равенства преобразуемого напряжения U_X уровню U_0k опорного напряжения U₀;

- m-е значение кода результата преобразования формируют из номера m момента равенства преобразуемого напряжения U_X уровню U_0k опорного напряжения U₀ с момента начала интервала времени преобразования T_пр, номера k уровня U_0k опорного напряжения U₀, которому равно преобразуемое напряжение U_X в m–й момент времени и результата N_Xm счета импульсов опорной частоты f₀ от m-го до (m+1)–го момента равенства напряжений преобразуемого напряжения U_X уровню U_0k опорного напряжения U₀, причем первое значение кода результата преобразования формируют с момента начала интервала времени преобразования T_пр со значениями параметров m=0, k равно номеру максимального из уровней U_0k опорного напряжения U₀ меньших уровня преобразуемого напряжения U_X в момент начала интервала времени преобразования T_пр, а моменту окончания интервала времени преобразования T_пр преобразования присваивают номер m, следующий за номером последнего момента равенства преобразуемого напряжения U_X уровню U_0k опорного напряжения U₀.