Аналого-цифровой преобразователь интегрирующего типа Советский патент 1980 года по МПК H03K13/20 

t

Изобретение относится к цифровой измерительной технике, в частности, к аналого-цифровым преобразователям и к цифровЕлм вольтметрам интегрирующего типа с промежуточным преобразованием во временной интервал.

Известен аналого-цифровой преоб-. разователь (АЦП) интегрирующего типа с промежуточным преобразованием во временной интервал, содержащий интегратор, собранный на операционном усилителе с конденсатором в обратной связи и имеющем на входе подсоединенные через резистор ключи для коммутации преобразуемого и образцового напряжений, а на выходе - компаратор, выход которого подключен ко входу блока управления, выходы последнего соединены с управляющими входами ключей и с отчетным устройством 1.

Недостатком данного аналого-цифЕювого преобразователя является сравнительно низкая разрешающая способность.

Известен также аналого-цифровой преобразователь интегрирующего типа, содержащий входной усилитель, интегратор, выполненный на операционном усилителе с конденсатором в цепи отрицательной обратной связи и резистором на входе, источника .алонных напряжений, выходы которых через ключи псрк.лючены ко входу интегратора, компаратор, выход которого подключен к блоку управления, а вход - к выходу интегратора, генератор им пульсов счетчик, логические элементы и отсчетное устройство 2.

Недостатком этого устройства является сложность, обусловленная наличием в его составе прецизионных аналоговых узлов, необходимых для

15 достижения высокой разрешающей спо.собности и точности.

Цель изобретения - расширение ,. разрешающей способности преобразователя.

Цель достигается тем, что в аналого-цифровой преобразователь интегрирующего типа, содержащий интег-. ратор, выполненный на операщионном усилителе с конденсатором в цепи отрицательной обратной связи и резистором, первым выводом ттодсоединенным ко опеЕ йЦИОНного усилителя, а вторым - к выходам первого, второго и третьего ключей

30 коммутации преобразуемого и образ- цовых напряжений, выход интегратора через компаратор подключен ко входу блока управления, первый второй и третий выходы которого соедийены с управляющими входами соответствующих ключей, а-четвертый выход,- с отчетным устройством, дополнительно введены пороговое устройство управления ключами, четвертый и пятый ключи, конденсатор, одна.обкладка которого подключена ко входу операционного усилителя, другая обкладка через четвертый ключ - к выходу интегратора, а через пятый ключ - к общей шине, управляющие входы четвертого и пятого ключей соединены, соответственно, с прямым и инверсным выходами порогового устройства управления, ключами, первый и второй входы которого соединены с выходом интегратора и с пятым выходом блока управления, соответственно.

На чертехсе представлена блок-схема преобразователя.

Преобразователь содержит, выполненный на операционном усилителе 1 с конденсатором 2 в отрицательной - обратной связи и резистором 3 на входе, интегратор 4, вход которого подключен к трем ключам 5, б и 7 ком. мутации преобразуемого и образцовых напряжений, а выход через компаратор -8 - ко входу блока 9 управления соединенного с управляющими входами ключей 5, 6 и 7 и с отсчетным устройством. 10, а также второй конденсатор 11, одним выводом подключенны ко входу операционного .усилителя 1, вторым выводом через четвертый ключ

12- к выходу интегратора 4, а через пятый ключ 13 - к общей шине, управляющие входы четвертого 12 и пятого

13ключей соединены, соответственно с и инверсным выходами порогвого устройства 14 управления ключами .

Преобразователь работает следующим образом.

По сигналу блока 9 управления замыкается ключ 7 и на вход интегратора 4 подается преобразуемое напряженйё Ux. в течение калиброванного интервала времени, отсчитываемого отсчетным устройством 10, В течение этого- интервала времени пороговое устройство 14 управления ключами удер сивается во включенном состоянии (Сигналом блока 9 управления независимо от значения напряжения на выходе интегратора 4, При этом четвертый ключ 12 замкну т, а пятый клю 13 разомкнут и конденсатор 11 подклчен параллельно интегрирующему конденсатору 2. Электрический заряд, пропорциональный преобразуемому напряжению Uy , накапливается на обоих конденсаторах 2 и 11, распределяясь между ними пропорционально их

емкостям. По окончании периода интегрирования преобразуемого напря- . женияЬх блэк 9 управления размыкает ключ 7 и замыкает ключ б или 5 в зависимости от полярности Уд гто- . давая на интегратор 4 Образцовое,, напряжение противоположной полярности. Одновременно отсчетное устройство 10 начинает отсчет результата преобразования, В начале периода разряда интегратора 4. снимается сигнал блока 9 управления со входа порогового устройства 14 управления ключами, удерживавший его во включенном состоянии. Если значение накопленного на интеграторе 4 в первом периоде напряжения превышает порог выключения порогового устройства 14 управления ключами, то оно продолжает удерживаться во включенном состоянии и положение четвертого и пятого ключей 12 и 13 нё ме.няется до тех пор, пока напряжение на интеграторе 4 не снижается (по модулю) до порога выключения. После этого пороговое устройство 14 управления ключами размыкает четвертый ключ 12 и замыкает пятый ключ 1 подключая конденсатор 11 к общей шине. Электрический заряд, оставшийся., к этому моменту на кондесато.ре 11, перетекает на конденсатор 2, увеличивая напряжение на выходе интегратора 4, При этом разряд интегратора 4 образцовым напряжением не прекращается., и напряжение на интеграторе 4 снова уменьшается, причем с большей скоростью, чем прежде, так как емкость конденсатора 2 меньше, чем суммарная емкость конденсаторов 2 и 11, а ток разряда

Hg E/R-const

где R - сопротивление резистора 3, Когда напряжение на интеграторе 4 уменьшается до исходного (нулевого) состояния, срабатыв.ает компаратор 8, сигнал которого поступает на блок 9 управления, который, в свою очередь, останавливает отсчетное устройство 10, фиксируя результат преобразования.

Если к концу первого периода ин«тегрирования преобразуемого напряжения U значение напряжения на интеграторе 4 не превышает порога выключ.ения порогового устройства 14 управления ключами, то переключение конденсатора 11 к общей шине происходит сразу после окончания этого периода, т.е, после снятия управляющего сигнала блока 9 .управления со входа порогового., устройства 14 уп равления ключами, удерживавшего его во включенном состоянии.

Для увеличения разрешающей способности преобразователя в п раз емкость койденсатора 11 должна быть примерно в п раз больше емкости конденсатора 2, При этом максимальное

значение электрического заряда накапливаемого в первом периоде при интегрировании иX , увеличивается в п раз без увеличения максимального значения на интеграторе 4. Для сохранения прежних требований к разрешающей способности компаратора 8 по напряжению необходимо, чтобы скорость уменьшения напряжения на интеграторе 4 в процессе его разряда к моменту срабатывания компаратора 8 была не ниже, чем у известного преобразователя, имеющего только конденсатор 2. Это достигается тем, что к моменту срабатывания компаратора 8 конденсатор 11 должен быть практический полностью разряжен до исходного состояния и в работе интегратора 4 участвует только конденсатор 2. Этим требованием определяется нижняя граница (по модулю) порога выключения порогового устройства 14 управления ключами.Верхняя граница порога выключения определяется из того условия, что после переключения конденсатора 11 к общей шине возросшее напряжение на выходе интегратора 4 не должно выйти из пределов рабочей зоны операционного усилителя 1 интегратора 4, т.е. опэрационный усилитель 1 не должен, уйти в насыщение..

Таким образом, поставленная цель достигается путем ввелекия в состав преобразователя дополнительных элементов, обеспечивающих временное увеличение емкости интегратора 4 без изменения значения заряда, соответствующего единице счета, а также без изменения максимального значени.я напряжения, накапливаемого на интеграторе 4, и разрешающей способности компаратора 8 по напряжению. К моменту срабатывания компаратора 8 емкость интегратора 4 снова уменьается, так как дополнительный коненсатор 11 отключается.

Возможен второй вариант работы преобразователя, при котором в первом периоде при интегрировании нецзвестного напряженияи ; с блока 9 управления на пороговое устройство 14 управления ключами не подается сигнал включения. Поэтому в начале этого периода пороговое устройство 14 управления ключами выключено, четвертый ключ 12 разомкнут, а пятый ключ 13 замкнут и конденсатор 11 подключен к общей шине. По мере интегрирования, когда напряжение, на интеграторе 4 достигает порога включения порогового устройства 14 управения ключами, это устройство, представляющее собой, например , триггер митта, подключает конденсатор 11 к ыходу интегратора 4, заряд, накопленный на конденсаторе 2, перераспределится между конденсаторами 11 и 2 пропорционально их емкостям, напряжение на выходе интегратора 4 уменьшается (по модулю) и интегратор 4 5 может принимать дополнительный заряд. При работе по второму варианту преобразование- напряжений, близких к нулю, /троисходит без включения порогового устройства 14 управления ключами и Q без подключения конденсатора 11 к интегратору 4. Период.разряда интегратора 4 образцовым сигналом протекает так же, как в первом варианте. Верхняя граница порога включения порогового устройства 14 управления ключами не должна превышать границу рабочей зоны операционного усилителя 1 интегратора 4.

20

Формула изобретения

Аналого-цифровой преобразователь интегрирующего типа, содержащий интегратор, .выполненный на операционном усилителе с конденсатором в цепи отрицательной обратной связи и резистором, первым выводом подсоединенным ко входу операционного усилителя, а вторым - к выходам первого, второго и третьего ключей коммутации преобразуемого и образцовых напряжений, выход интегратора через компаратор подключен ко входу блока управления, первый, второй

и третий выходы которого соединены с управляющими входами соответствующих ключей, а четвертый выход.- с отсчетным устройством, о т л и ч аю щ и и с я тем, что, с целью рас.ширения разрешающей способности

преобразователя, в него дополнительно введены пороговое устройство управления ключами, четвертый и пятый , конденсатор, одна обкладка которого подключена ко входу операционного усилителя, другая обкладка через четвертый ключ - к выходу интегратора, а через пятый ключ - к общей шине, управляющие входы четвертого и пятого ключей соединены, соответственно, с прямым и инверсным выходами порогового устройства управления ключами, первый и второй. входы которого соединены с выходом интегратора и с пятым выходом бло-,.

ка управления, соответственно.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1,Патент Великобритании

60

1390665, кл. G 04 Н; 1971.

2,Патент ФРГ 1962333, ;кл. Н 03 К 13/00, 1976 (прототип).