Логарифмический аналого-цифровой преобразователь Советский патент 1992 года по МПК H03M1/62 

Изобретение относится к информационно-измерительной технике, в также к автоматике и вычислительной технике, и используется для решения задач по преобразованию аналоговых сигналов в цифровой код с логарифмической характеристикой.

Известен логарифмический аналоге цифровой преобразователь, содержащий источник опорного напряжения, интегратор, включающий в себя операционный усилитель, времязадающий резистор и интегрирующий конденсатор, компаратор, функциональный частотный преобразователь, счетчик, триггер, одновибратор, элемент ИЛИ и шесть ключевых элементов, находящихся в соответствующих взаимосвязях.

Недостатком этого преобразователя является невысокая точность измерений, так как на значение постоянной времени его времязадающей цепи оказывает влияние дрейф (обусловленный воздействием дестабилизирующих факторов - температура окружающей среды, время наработки и т.д.) сопротивления ключа, включенного последовательно с интегрирующим конденсатором.

Наиболее близким к заявляемому по технической сущности является логарифмический аналого-цифровой преобразователь, содержащий ключ, резистор, конденсатор, усилитель, компаратор, блок управления и регистрации, операционный усилитель, четыре дополнительных ключа и инвертор (блок суммирования), причем вход ключа соединен с выходом операционного усилителя и через первый дополнительный ключ - с его инвертирующим входом, который через второй дополнительный ключ соединен с выходом ключа, вход усилителя через третий дополнительный ключ соединен с его выходом, а через четвертый дополнителный ключ - с общей точкой соединения резистора и конденсатора, выход ключа соединён через блок суммирования с входом компаратора , управляющие входы второго и четвертого дополнительных ключей соединены с первым выходом блока управления и регистрации, второй выход которого соединен с управляющими входами первого и третьего ключей.Однако поскольку на конденсаторе на- . капливается, напряжение, пропорциональное инцЈгралу от суммы напряжений входного сигнала и смещения нуля операционного усилителя, а последующий разряд конденсатора происходит на шину нулевого потенциала, то это определяет составляющую погрешности преобразования, ограничивающую, также динамический диапазон преобразуемых сигналов с нормированной точностью снизу, причем температурный дрейф напряжения смещения нуля операционных усилителей также вносит дополнительную составляющую погрешности прербразования. Кроме того, алгоритм преобразования не реализует полностью диапазон напряжений операционных

усилителей, используя либо, положительную, либо отрицательную области.

Целью изобретения является увеличение точности преобразования и расширение динамического диапазона входных

сигналов.

Поставленная цель достигается тем, что в логарифмический аналого-цифровой преобразователь, содержащий первый, второй и третий ключи, блок управления и регистрации, компаратор, блок суммирования,

операционный усилитель, резистор и конденсатор, соединенный первой обкладкой с первым выводом резистора и выходом третьего ключа, управляющий вход которого соединен с управляющим входом первого ключа и первым выходом блока управления и регистрации, второй выход блока управления и регистрации подключен к управляющему входу второго ключа, выход которого

соединен с выходом первого ключа, а вход блока управления и регистрации подключен к выходу компаратора, первый вход которого соединен с выходом первого источника опорного напряжения, введен второй источник опорного напряжения, общая шина которого соединена с шиной нулевого потенциала, а выход подключен к второму входу блока суммирования, первый вход блока суммирования подключен к выходу первого

ключа, информационный вход которого соединен с входной шиной преобразователя, а выход блока суммирования подключен к неинвертирующему входу операционного уси- лителя, инвертирующий вход и выход

которого объединены и соединены с общей шиной первого источника опорного напряжения, вторым выводом резистора и информационным входом третьего ключа, выход которого подключен к второму входу компаратора, вторая обкладка конденсатора и информационный вход второго ключа соединены с шиной нулевого потенциала.

На фиг. 1 представлена структурная схе- ма аналого-цифрового преобразователя; на фиг.2 - структурная схема варианта блока управления и регистрации; на фиг.З - временные диаграммы, поясняющие алгоритм работы аналого-цифрового преобразователя.

Аналою цифровой преобразователь содержит ключи 1 и 2, источник 3 опорного напряжения (второй), блок 4 суммирования, блок 5 управления и регистрации, операционный усилитель 6, ключ 7, конденсатор 8, резистор 9, источник 10 опорного напряжения (первый), компаратор 11, входную Шину 12 и шину 13 запуска.

Блок 4 суммирования (фиг.1) содержит резисторы 14-17 и операционный усилитель 18, причем значения сопротивлений .резисторов связаны следующими соотношениями:

Ri4 Ri5 Ri7 R;Ri6 -|,

о что обеспечивает для блока 4 нахождение (со знаком минус) суммы входных напряжений.

Блок 5 управления и регистрации (фиг,2) содержит одновибратор 19, элемент И 20, суммирующий счетчик 21 импульсов и генератор 22 импульсов эталонной частоты.

Первая обкладка конденсатора 8 соединена с первым выводом резистора 9 и выходом ключа 7, управляющий вход которого соединен с управляющим входом ключа 1 и первым выходом блока 5 управления и регистрации, второй выход блока 5 управления и регистрации подключен к управляющему входу ключа 2, выход которого соединен с выходом ключа 1, первый вход блока 5 управления и регистрации подключен к выходу компаратора 11, первый вход которого соединен с выходом источника 10 опорного напряжения, общая шина источника 3 опорного напряжения соединена с шиной нулевого потенциала, а выход подключен к второму входу блока 4 суммирования, первый вход блока 4 суммирования подключен к выходу ключа 1, информационный вход которого соединен с входной щи- ной 12 преобразователя, выход блока 4 суммирования подключен к неинвертирую- щему входу операционного усилителя 6, ин- вертирующий вход и выход которого объединены и соединены с общей шиной источника 10 опорного напряжения, вторым выводом резистора 9 и информационным входом ключа 7, выход которого подключен к второму входу компаратора 11, вторая обкладка конденсатора 8 и информационный вход ключа 2 объединены и соединены с шиной нулевого потенциала, а шина 13 запуска соединена с вторым входом блока 5 управления и регистрации.

Для ключей 1, 2 и 7 время включения и выключения связано следующими соотношениями:. .

Твкл.2 выкл.1 J(1)

Гвыкл.2 Гвкл.1 ()

Гвкл.2 Твыкл.З . (3)

где Твкл.2 - время включения ключа 2:

Твыкл.1 - время выключения ключа 1; 5Гйыкл.з - время выключения ключа 7;

Твыкл.2 - время выключения ключа 2. Для источника 3 опорного напряжения величина отрицательного опорного напряжения Uo составляет значение

111 11 1Ьмакс

IU0 I -j-

где Ухмакс - максимальное значение преобразуемого сигнала (динамический диапазон сигнала - в области положительных значе- ний).

Для блока 4 суммирования предельное соотношение между входными и выходными напряжениями для нулевого и максимального уровней преобразуемого сигнала определяется соответственно следующими выражениями:

KUcM.I + Uo ) илин.1макс,(4)

где UCM.I напряжение смещения нуля операционного усилителя 18;

илин.1макс - максимальное линейное значение выходного положительного напряжения операционного усилителя 18;

(ихмакс + UcM.I + Uo ) и линЛтакс , (5)

где U линлмакс - максимальное линейное значение выходного отрицательного напряжения операционного усилителя 18.

Для операционного усилителя 6 предельное соотношение между выходным и входным напряжениями :при нулевом и максимальном уровнях преобразуемого сигнала определяется соответственно следующим выражениями:

ис,и.2-(исм.1 + ио ) иЛин.2Макс; (6) лUcM.2 (Ухмакс + UcM.1 +

+ U0 ) иПик.2макс ,(7)

где UcM.2 напряжение смещения нуля операционного усилителя 6;

илин.2макс - максимальное линейное значение выходного положительного напряжения операционного, усилителя 6;

U лин.2макс - максимальное линейное значение вы-ходного отрицательного напряжения операционного усилителя 6.

Для источника 10 опорного напряжения

0

5

0

5

5

0

5

величина отрицательного опорного напряжения Uo составляет значение

О Uo UXMHH,

где UXMHH минимальное значение преобразуемого сигнала.

Для одновибратора 19 задержки появления сигналов Г31 и гз2 соответственно на прямом и инверсном выходах связаны равенством

Г31 Г32 ,(8)

а длительность сигналов гс определяется следующим выражением: гс г„ ,

где тн - время заряда конденсатора 8 при максимальном уровне Ухмакс преобразуемого сигнала.

Логарифмический аналого-цифровой преобразователь работает следующим образом.

В исходном состоянии на первом выходе блока 5 управления и регистрации присутствует уровень логического О, а на втором выходе -- уровень логической 1, что определяет разомкнутое состояние ключей 1 и 7 и замкнутое состояние ключа 2. На первом входе блока 4 суммирования -уровень нулевого потенциала, а на втором входе - уровень UoV что определяет на выходе блока 4 суммирования уровень напряжения

Увых.4 - (0 + Uo + UCM.I) - - (Uo + UCM.I),

конденсатор 8 через операционный усилитель 6 в режиме повторителя напряжения и резистор 9 заряжен до уровня напряжения

U - UBMX.I + UcM.2 UcM.2 - (Uo1 + UCM.I),

что с учетом величины U0 на первом входе компаратора 11 (эпюра 1, фиг.Зв) определяет на выходе компаратора 11 и соответственно на втором входе элемента И 20 уровень логического О, запрещающий прохождение импульсов генератора 22 на счетный вход счетчика 21 импульсов, исходное состояние1 разрядов которого любое.

При поступлении на шину 13 запуска сигнала Пуск по его переднему фронту происходит установка в нулевое состояние разрядов счетчика 21 импульсов и запуск одновибратора 19, что определяет на прямом и инверсном выходах одновибратора 19 и соответственно на первом и втором выходах блока 5 управления и регистрации наличие импульсов (фиг.З а,б) длительностью тс . При этом замыкаются ключи 1 м 7 и размыкается ключ 2.

В результате преобразуемый сигнал Ux с входной шины 12 через ключ 1, блок 4 суммирования, операционныйусилительб и .ключ 7 заряжает конденсатор 8 до напряжения

Me - U - Ux - (UcM.2.- Uo1 - UCM.I) - Ux.

Далее по задним фронтам импульсов на первом и втором выходах блока 5 управления и регистрации происходит соответствующее размыкание ключей 1 и 7 И замыкание ключа 2, что определяет срабатывание компаратора 11 и установку на его выходе уровня логической Г, а также начало процесса экспоненциального разряда конденсатора 8 через резистор 9 до уровня выходного напряжения операционного усилителя 6,

0

5

0

5

0

значение которого равно U (фиг.З в), причем уровень логической 1 на выходе компаратора 11 разрешает прохождение импульсов эталонной частоты генератора 22 через элемент И 20 на счетный вход счетчика 21 импульсов.

При достижении на конденсаторе 8 значения напряжения

Uo

происходит выключение компаратора 11 с соответствующей установкой на его выходе уровня логического О (фиг.З г) и завершение процесса формирования на выходе компаратора 11 импульса, значение длительности тх которого определяется выражением

.tx-Rg.-Се Чп --.,.

Uo где Rg - значения сопротивления резистора

9:

Се - значение емкости конденсатора 8, причем уровень логического О на выходе компаратора 11 по второму входу элемента И 20 запрещает прохождение импульсов генератора 22 на счетный вход счетчика 21 импульсов.

В результате в счетчик 21 импульсов за интервал времени тх поступит следующее количество импульсов генератора 22 эталонной частоты

Ux

NX

fo тх fo Rg Ce In

U,

II

где f0 - частота следования импульсов генератора 22 эталонной частоты, причем предельное значение длительности выходного импульса компаратора 11 определяется соотношением

Тхмакс Тнест,

где Тнест - период изменения во времени от дестабилизирующих факторов значений

Uo , UcM.1 И UcM.2.

Таким образом, в логарифмическом аналого-цифровом преобразователе (АЦП) в счетчике 21 импульсов будет зафиксирован код, пропорциональный логарифму преобразуемого сигнала.

Ограничение, наложенное выражениями (1), (2) и (8), исключает при переключени- ях ключей 1 и 2 режим КЗ для источника преобразуемого сигнала.

Ограничение, наложенное выражениями (3) и (8), определяет момент замыкания ключа 2 го времени позже момента размы- кания ключа 7.

Ограничение, наложенное выражениями (4) И (5), исключает составляющую погрешности от нелинейности передаточной характеристики операционного усилителя 18 в режиме инвертора с единичным усилением. Ограничение, наложенное выражениями (6) и (7), исключает составляющую погрешности от нелинейности передаточной характеристики операционного усилителя б в режиме повторителя напряжения.

Поскольку в исходном состоянии конденсатор 8 заряжен до уровня напряжения

Us - (UCM:2 - Uo - UcM.1).

а после запоминания значения Ux разряд конденсатора 8 происходит на этот же уровень Us (причем опорное напряжение Uo задано относительно уровня выходного напряжения операционного усилителя 6) то наличие и нестабильность значений Ць1, UcM.1 и исм:2, составляющих уровень U не сказывается на точности преобразования.

Таким образом, в заявляемом логарифмическом АЦП увеличена точность преобразования за счет исключения составляющих погрешности, обусловленных влиянием напряжения смещения нуля и дрейфом напряжения смещения нуля операционных усилителей 6 и 18, что кроме этого, позволяет расширить динамический диапазон преобразования сигналов с нормированной точностью, так как удельный вес названных составляющих погрешности значительно возрастает в области небольших уровней преобразуемого сигнала. Кроме того, при преобразовании входных сигналов используются области положительных и отрицательных Напряжений операционных усилителей 6 и 18, что определяет расширение динамического диапазона преобразуемого сигнала в два раза.

Поскольку в заявляемом логарифмическом АЦП операционный усилитель 6, ключ 7 и конденсатор 8 представляют собой блок выборки-хранения, то это позволяет использовать заявляемый преобразователь в режиме квантования входного аналогового сигнала в составе многоканальной измерительной системы, для которой

(Тс+Тхмакс) ТкВ Тсмин, где Ткв - период следования квантующих импульсов (сигналы Пуск на шине 13 запу ска логарифмического АЦП) измерительной системы;

Тсмин - минимальный период изменения входного преобразуемого сигнала.

Использование заявляемого преобразователя в составе системы измерений (СИ) при проведении испытаний изделий позволит сократить количество средств измерений, входящих в состав СИ, за счет его широкого динамического диапазона. Однако из-за отсутствия данных по объему СИ и количеству испытаний провести расчет экономического эффекта от использования

преобразователя не представляется воз можным.

Формула изобретения 1. Логарифмический аналого-цифровой 5 преобразователь, содержащий первый, второй и третий ключи, блок управления и регистрации, компаратор, блок суммирования, операционный усилитель, токоогра- ничивающий и накопительные элементы, 10 выполненные соответственно на резисторе и конденсаторе, причем первая обкладка конденсатора соединена с первым выводом резистора и выходом третьего ключа, управляющий вход которого объединен суп равля5 ющим входом первого ключа и соединен с первым выходом блока управления и регистрации, второй выход блока управления и регистрации подключен к управляющему входу второго ключа, выход которого объе0 динен с выходом первого ключа, первый вход блока управления и регистрации подключен к выходу компаратора первый вход которого соединен с выходом первого источника опорного напряжения, о т л и ч а5 ю щ и и с я тем, что, с целью увеличения точности преобразования и расширения динамического диапазона входных сигналов, в него введен второй источник опорного напряжения, причем первый вход блока сум0 мирования подключен к -выходу первого ключа, информационный вхОд которого соединен с входной шиной, а второй вход и выход блока суммирования подключены соответственно к выходу второго источника

5 опорного напряжения и к неинвертирующему входу операционного усилителя, инвен- тирующий вход которого соединен с его выходом, который соединен с общей шиной первого источника опорного напряжения,

0 вторым выводом резистора и информационным входом третьего ключа, выход которого подключен к второму входу компаратора, при этом общая шина второго источника опорного напряжения, вторая обкладка кон5 денсатора и информационный вход второго ключа объединены и являются шиной нулевого потенциала, шиной запуска является второй вход блока управления и регистрации,

0 2. Преобразователь по п.1, от л и ч а ю- щ и и с я тем, что блок суммирования выполнен на операционном усилителе, пе рвом, втором, третьем и четвертом резисторах, первые выводы первого, второго и четверто5 го резисторов объединены и соединены с инвертирующим входом операционного усилителя, неинвертирующий вход которого через третий резистор соединен с шиной нулевого потенциала, а выход - с вторым выводом четвертого резистора и является

выходом блока, первым и вторым входами которого являются соответственно вторые выводы первого и второго резисторов.

3. Преобразователь по п. 1, от л и ч а ю- щ и и с я тем, что блок управления и регистрации выполнен на одновибраторе, суммирующем счетчике импульсов, элементе И и генераторе эталонной частоты, выход ко0

торого соединен с первым входом элемента И. второй вход которого является первым входом блока, а выход соединен со счетным входом суммирующего счетчика, вход установки которого объединен с входом одно- вибратора и является вторым входом блока, прямой и инверсный выходы одновибрато- ра являются соответственно первым и вторым выходами блока.

Изобретение относится к информационно-измерительной технике, а также к автоматике и вычислительной технике и используется для решения задач по преобразованию аналоговых сигналов в цифровой код с логарифмической характеристикой. Цель изобретения состоит в увеличении точности преобразования и в расширении динамического диапазона входных сигналов. Для этого в логарифмический АЦП введён источник 3 опорного напряжения, кроме того, преобразователь содержит ключевые элементы 1, 2 и 7, блок 4 суммирования, блок 5 управления и регистрации, операционный усилитель 6, накопительный элемент, выполненный на конденсаторе 8, ограничительный элемент, выполненный на резисторе 9, источник 10 опорного напряжения, компаратор 11, входную шину 12 и шину 13 запуска, причем блок 4суммирования выполнен на резисторах 14-17 и операционном усилителе 18, а блок 5управления и регистрации - на одновиб- раторе 19, элементе И 20, счетчике 21 и генераторе 22 эталонной частоты. 2 з.п.ф- лы, 3 ил. СО с

фиг. 2

Фиъ.З