Аналого-цифровой интегратор Советский патент 1983 года по МПК G06G7/18 

подключены к второй.группе входов перемнох ителя кодов, входы третьего компаратора соединены соответственно с выходом операционного усилителя и

с шиной нулевого потенциала, а его выход является выходом знака ратора и подключен к управляющему входу коммутатора.

1

Изобретение относится к автоматике, измерительной технике и радио электронике.

Известен аналого-цифровой интегратор (АЦИ), содержащий последовательно соединенные аналоговый интегратор и аналого-цифровой преобразователь (АЦП). АЦИ осуществляет опграцию интегрирования входного аналогового сигнала с последующим преобразованием полученного результата в цифровой код С 3-

Существующие ЛЦИ обладают незначительным по aмплиtyдe динамическим диапазоном обрабатываемых (интегрируемых) сигналов. Ограничение динамического диапазона обусловлено погрешностями квантования, вносимыми АЦП, и погрешностями аналогового интегрирования, вкюсимыми интегратором, вхойящци в состав АЦИ. Линейный участок ВЫХ6.ЯНОГО напряжения усилител с конденсатором в цепи обратной свйзи (выполняет роль интегратора) ограничен шумами усилителя (снизу) и напряжением насыщения усилителя (сверху). Снижение погрешностей квантования, а следовательно, и некоторое расширение .динамического диапазона, может быть обеспечено за счет увеличения разрядности АЦП. Н(3 даже незначительное увеличение разрядности АЦП (до двоичных разрядов) приводит к значительному возрастанию слок ности и стоимости аппаратуры, а также к возрастанию времени аналого-цифрового преобразования.

Наиболее близким к предлагаемому устройству является АЦИ, входящий в состав измерителя квадратурных составляющих сигналов, содержащий регистр сдвига, перемножитель кодов, компаратор, АЦП, усилитель, .резистор, П конденсаторов,п двухпозиционных ключей, причем одна из обкладок конденсаторов соединена с входом усилителя и с одним из выводов резистора, другой вывод которого является входом устройства, вторые обкладки каждого конденсатора соединены с входами соответствующих двухпозиционных ключей, выход усилителя соединен с входом АЦП, с объединенными вторыми выходами двухпозиционных ключей и с первым входом компаратора, второй вход которого и вход опорного напряжения АЦП соединен с входом опорного напряжения устройства, выход компаратора соединен с тактовым входом регистра сдвига, выходы которого соединены с входами управления соотретствующих двухпозиционных ключей, выходы АЦП соединены с первой группой входов пepeмнoжиteля кодов, выход которого является выходом устройства, вторая группа входов первмнох ителя кодов соединена с выходами регистра сдвига, первый выход первого двухпозиционного ключа соединен с общей шиной, первые выходы остальных двухпозиционных ключей, начиная с второго, соединены с входом дополнительного опорного напряжения устройства С 21.

Недостатком Устройства является возможность интегрирования Входных сигналов только одной полярности с опорным напряжением (U.

Целью изобретения является расширение динамического диапазона интегрируемых сигналов.

Поставленная цель достигается тем что в АЦИ,содержащий операционный усилитель, масштабный резистор, h интегрирующих конденсаторов,п двухпозиционных ключей, АЦП, регистр/сдвига, перемножитель кодов и первый ком паратор, причем первые обкладки интегрирующих конденсаторов соединены с входом операционного усилителя и с одним из выводов масштабного резистора, другой вывод которого является входом интегратора, вторые обкладки интегрирующих конденсаторов подключены к входам двухпозиционных ключей, первые выходы которых соединены с вы 310 ходом операционного усилителя, а управляющие входы подклюмены к выходам регистра сдвига,первый .и второй входы которого являются соответствен но входами запуска и сброса интегратора, выход операционного усилителя подключен к первому входу первого компаратора, второй вход которого со единен с входом опорного напряжения интегратора, и к первому входу АЦП , выходы которого подключены к первой группе входов перемножителя кодов, а выходы перемножителя кодов являются цифровым выходом интегратора, вве дены второй и третий компараторы, ан логовый инвертор, преобразователь ко дов, коммутатор, элемент;ИЛИ, дополнительный ключ и дополнительный интегрирующий конденсатор, включенный между входом и выходом операционного усилителя, вход дополнительного ключа соединен с входом операционного .усилителя, его выход - с выходом опе рационного усилителя, а управляющий вход соединен с соответствующим выхо дом регистра сдвига, вторые выходы двухпозиционных ключей подключены к шине нулевого потенциала, вход опорного напряжения подклочен к первому входу коммутатора и через аналоговый инвертор - к первому входу второго компаратора, вторым входом соединенного с выходом операционного усилите ля, и к второму входу коммутатора выход которого подкгвочен к второму входу АЦП, выходы первого и второго компараторов соединены с входами эле мента ИЛИ, выходом подключенного к тактовому входу регистра сдвига, выходы регистра сдвига через преобра зователь кодов подключены к второй группе входов перемножителя кодов, входы третьего компаратора соединены соответственно с выходом операционного усилителя и с шиной нулевого потенциала, а его выход является выходом знака интегратора и подключе к управляющему входу коммутатора. Сущность предлагаемого решения за ключается в том, что в момент достижения выходным напряжением усилителя значения опорного напряжения (Цтп) или значения инвертированного опорного напряжения ,J производится подключение параллельно конденсатору обратной связи усилителя нового конденсатора с нулевым электрическим за , рядом. На чертеже изображена схема АЦИ. 84 АЦИ содержит масштабный резистор 1, аналоговый инвертор 2,п интегрирующих конденсаторов двухпозиционных ключей 4, операционный усилитель 5 регистр 6 сдвига, первый компаратор 7, второй компаратор 8, элемент ИЛИ 9, преобразователь 10 кодов АЦП 11, третий компаратор 12, перемножитель 13 кодов, коммутатор }k, дополнительный интегрирукиций конденсатор 15, дополнительный ключ 16. Одна из обкладок конденсаторов 3 и конденсатора 15 соединена с входом операционного усилителя 5 и с одним из выводов резистора 1; второй вывод резистора 1 является входом устройства. Вторые обкладки; каждого конденсатора 3 соединены с входами соответствующих двухпозиционных ключей k, выход операционного усилителя 5 соединен с входом АЦП 11, с объединенными вторыми входами всех двухпозиционных ключей f и с первым входом первого компаратора 7 второй вход первого компаратора 7 соединен с входом опорного напряжения устройства. Первые выходы всех двухпозиционных ключей k объединены выходы АЦП 11 соединены с первой группой входов еремножителя 13 кодов, выход перемножителя 13 кодов является выходом устройства. Входы управления двухпозиционных кл|6мей k соединены с выходом регистра 6 сдвига, вход опорного напряжения устройства соединен с первым входом ком-. мутатора 1 if и с входом аналогового инвертора 2. Выход аналогового инвертора 2 соединен с первым входом вто- рого компаратора 8 и с вторым входом коммутатора Ц. .Выход операционного усилителя 5 соединен с второй обкладкой дополнительного конденсатора 15 вторым входом второго компаратора 8, входом третьего компаратора 12 и выходом дополнительного ключа 16, вход которого подключен к входу операционного усилителя объединенные первые выходы двухпозиционных ключей k соединены с общей шиной; выходы первого компаратора 7 и второго компаратора 8 соединены с входами элемента- ИЛИ 9, выход элемента ИЛИ 3 соединен с тактовым входом регистра 6 сдвига. Вход, запуска и вход сброса регистра 6 сдвига являются входами запуска и сброса интегратора. Выходы регистра 6 сдвига соединены с входами преобразовате ля 10 кодов, выходы которого соединены с второй группой входов перемножителя. 13 кодов. Второй вход третьего компаратора 12 соединен с общей шиной выход третьего компаратора 12 соединен с входом управления коммута тора 14,-выход коммутатора 14 соединен с входом опорного напряжения АЦП 11, выход третьего компаратора 1 является выходом знака выходного кода интегратора. Устройство работает следующим образом. Перед началом процесса аналогоцифрового интегрирования входного сигнала (Ugy(t)) производится установ . ка АЦИ в исходное состояние. При появлении импульсного сигнала на оходе сброса устройства во все п разрядов регистра 6 сдвига записываются логические О. При появлении на входе управления двухпозиционного ключа 4 логического О, этЪт ключ находится в первом положении (замыкается вход ключа с его первым выходом ), при наличии 1 на .входе управления - во втором положении (замыкается вход кл ча с его вторым выходом). Процесс интегрирования наминается припоявлении 1 на входе запуска интегратора. При этом в первый (млад ший) разряд регистра сдвига 6 записывается .1, первый ключ переводится во второе положение и в цепи обратной связи усилителя 5 включен оди конденсатор 15. Таким образом, исход ная постоянная времени аналогового интегратора определяется сопротивлением масштабного резистора 1 и емкостью конденсатора 15. Как только модуль (Ь)превышает опорное напряжение Орр, сразу срабатывает первый7 (при lJg{,|j(t) и J или второй 8 (при IL j(t) 1) компаратор и на выходе элемента ИЛИ 9 образуется перепад напряжения (переход из О в 1), по которому появляется 1 и на втором выходе регистра сдвига 6. Теперь уже два ключа находятся во втором положеНИИ, а это значит, что параллельно первому конденсатору 15 подключен второй конденсатор 3, причем электрический заряд на вновь подключаемом конденса.торе равен нулю, так как до подключения он был соединен с общей шиной. Выходное напряжение U,, ,Jt) - БЫЛ уменьшается по абсолютной величине, так как имевший место заряд на конденсаторе 15 перераспределяется между конденсаторами 15 и 3, соединенными параллельно. Если после дальнейшего процесса интегрирования выходное напряжение усилителя ) по абсолютной величине вновь превышает UQ,TO по сигналу элемента ИЛИ 9 в регистра сдвига 6 единицы записываются у«е в трех первых разрядах, следовательно, в цепи обратной связи будет включено параллельно три конденсатора. В момент окончания процесса интегрирования tjj и исчезновения U t) на входе АЦИ, на вход запуска устройства поступает логический О и выходное напряжение усилителей преобразуется АЦП 11 в код. Причем, если ) , О, то на выходе третьего компаратора 12, являющегося выходом знака выходного кода АЦИ, присутствует 1, которая поступает на вход управления коммутатора 14, а тот, в свою очередь, подключает к входу опорного напряжения АЦП напряжение и,.. Если и .ft.) О, на выходе третьерЬА л - t i м 11 го компаратора 12 О, и коммутатор подключает к входу опорного напряжения АЦП напряжение с выхода аналогового инвертора 2 (IL-i). После окончания преобразования напрях ения в код на выходе АЦП образуется код Ндцп-Код с выхода регистра 6 сдвига (Npj..) , содер 1 ащий в 1 разрядах В остальных (n-k) логические 1, а О, преобраразрядах - логические зуется преобразователем 10 кода в новый код fvj / С./С,.Таким образом, число указывает во сколько раз увеличилась постоянная времени ратора в процессе интегЬирования входного сигнала. На выходе перемножите- 3 ля 13 кодов, являющимся одновременно выходом АЦИ, после перемножения появляется код Nflnn NnK NKH ЛЦППеред началом следующего цикла интегрирования АЦИ вновь устанавливается в исходное состояние с приходом импульса на вход сброса устройства. При появлении 1 на входе запуска начинается новый цикл аналого-цифрового интегрирования. Достоинство предложенного АЦИ состоит в том, что он работает от двухполярных сигналов, кроме того, он реагирует на любые изменения полярности входного сигнала в процессе интегрирования. Предложенный АЦИ обеспечивает высокую точность интегрирования.

as

ЕГ

t i

s 5t

ra

«Ci

f 4

-i

иЛ

: hai

ьч

щ

к

D

«

im