CS212640B1

CS212640B1 - Connection of a one-bit continuous analog-to-digital converter module

Info

Publication number: CS212640B1
Application number: CS105980A
Authority: CS
Inventors: Jan Hajic; Zdenek Ruml
Original assignee: Jan Hajic; Zdenek Ruml
Priority date: 1980-02-15
Filing date: 1980-02-15
Publication date: 1982-03-26

Abstract

Vynález' se týká mžřicí techniky a řeší zapojení jednobitového modulu kontinuálního analogově-číslioového převodníku. Je vytvořen ze tří operačních zesilovačů, z nichž jeden je použit jako komparátor, jehož výstup je přes oddělovací odpory spojen s bázemi spínacích tranzistorů. Jeden trahzistor slouží jako výstupní spínač číslicového výstupu. Druhý tranzistor přepíná referenční napětí na vstup operačního zesilovače. Je-li měřené napětí menší než referenční napětí, potom je číslicový výstup sepnut, měřené napětí se v, operačním zesilovači pro analogový výstup dvakrát zesílí. Je-li měřené napětí větší než referenční napětí, číslicový výstup je rozepnut. Od měřeného napětí se odečte referenční napětí a tento rozdíl se opět dvakrát zesílí operačním zesilovačem. Vynálezu se využije v měřicí a regulační technice. Vynález je definován ve třech bodech, z nichž první nejlépe vyjadřuje podstatu. Popis je doplněn třemi obrázky.The invention relates to measurement technology and solves the connection of a single-bit module of a continuous analog-to-digital converter. It is made of three operational amplifiers, one of which is used as a comparator, the output of which is connected to the bases of the switching transistors via isolation resistors. One transistor serves as an output switch of the digital output. The second transistor switches the reference voltage to the input of the operational amplifier. If the measured voltage is less than the reference voltage, then the digital output is switched on, the measured voltage is amplified twice in the operational amplifier for the analog output. If the measured voltage is greater than the reference voltage, the digital output is switched off. The reference voltage is subtracted from the measured voltage and this difference is amplified twice again by the operational amplifier. The invention is used in measurement and control technology. The invention is defined in three points, the first of which best expresses the essence. The description is supplemented with three figures.

Description

Vynález se týká zapojení statického jednobitového modulu kontinuálního anelogově-číslicového převodníku sestaveného Z odporové sítě, operačních zesilovačů a komparétoru.The invention relates to the connection of a static single-bit module of a continuous anelog-to-digital converter made up of a resistive network, operational amplifiers and a comparator.

Dosavadní analogově-číslicové převodníky pracují cyklicky a proto potřebuji povel pro každé započetí měření a musí vydat signál o ukončeni měření. Rychlost převodu není příliš vysoká. Obtížná je změna kódu binárně dekadického na binární. Základem dosavadních analogově-číslicových převodníků je čítač, který u integrační metody čítá po dobu úměrnou vstupnímu signálu. U kompenzační metůdy čítá tak dlouho, až na výstupu číslicoanalogového převodníku, který je připojen na výstup čítače, je shodné napětí jako je napětí měřené. Součástky, ze kterých jsou tyto převodníky složené, nejsou vhodné k hybridizaci. Převodníky s postupnou aproximací mají vysokou rychlost převodu, ale logická struktura je složitá a obtížná je hybridizaoe. Je však vhodné vytvořit jej jako integrovaný obvod.Previous analog-to-digital converters operate cyclically and therefore need a command for each measurement start and must give a signal to end the measurement. The conversion speed is not too high. Changing the binary decimal to binary code is difficult. The basis of the existing analog-to-digital converters is a counter, which in the integration method counts for a period proportional to the input signal. In the compensation method, it counts as long as the voltage at the output of the digital analog converter, which is connected to the output of the counter, is the same as the measured voltage. The components of these converters are not suitable for hybridization. Converters with gradual approximation have a high conversion rate, but the logical structure is complex and difficult to hybridize. However, it is advisable to design it as an integrated circuit.

Tyto nedostatky odstraňuje zapojení jednobitového modulu kontinuálního analogově-Číslicového převodníku podle vynálezu, u něhož je prvni vstup měřeného napětí spojen s invertujícím vstupem komparétoru, jehož výstup je spojen s prvním vývodem prvního oddělovacího odporu a s prvním vývodem druhého oddělovacího odporu, jehož druhý vývod prvního oddělovacího odporu je spojen s bází druhého tranzistoru, jehož kolektor je spojen s číslicovým výstupem zapojení a emitor druhého tranzistoru je spojen se zemí, se kterou je spojen též kolektor prvního tranzistoru, jehož emitor je spojen jednak přes třetí oddělovací odpor se vstupem referenčního napětí a s neinvertujícím vstupem komparétoru. Podstata vynálezu spočívá v tom, že první vstup měřeného napětí je spojen s neinvertujícím vstupem druhého operačního zesilovače. Emitor prvního tranzistoru je spojen s neinvertujícím vstupem prvního operačního zesilovače. Invertující vstup prvního operačního zesilovače je spojen jednak přes první zpětnovazební odpor se zemí a jednak přes druhý zpětnovazební odpor s výstupem prvního operačního zesiloače a s jedním vývodem třetího zpětnovazebního odporu. Druhý vývod třetího zpětnovazebního odporu je spojen jednak s invertujícím vstupem druhého operačního zesilovače a jednak přes čtvrtý zpětnovazební odpor s výstupem druhého operačního zesilovače a s analogovým výstupem zapojení.These drawbacks are eliminated by the connection of the one-bit continuous analog-to-digital converter module according to the invention, in which the first input of the measured voltage is connected to an inverting input of a comparator whose output is connected to the first terminal of the first separating resistor. it is connected to the base of the second transistor, whose collector is connected to the digital output of the circuit and the emitter of the second transistor is connected to ground, which is also connected to the collector of the first transistor whose emitter is connected via a third isolation resistor to the reference voltage input and to the non-inverting input . The principle of the invention is that the first input of the measured voltage is connected to the non-inverting input of the second operational amplifier. The first transistor emitter is coupled to the non-inverting input of the first opamp. The inverting input of the first operational amplifier is coupled to ground through the first feedback resistor and to the output of the first operational amplifier via the second feedback resistor and to the third feedback resistor terminal. The second output of the third feedback resistor is coupled both to the inverting input of the second opamp and second through the fourth feedback resistor to the output of the second opamp and to the analog output of the wiring.

Účinky vynálezu se déle zvýši tím, že prvni vstup měřeného napětí je spojen jednak přes první děličový odpor se druhým vstupem měřeného napětí a jednak přes druhý děličový odpor se zemí. Výstup komparétoru je spojen přes pátý oddělovací odpor s komparátorovým výstupem zapojení.The effects of the invention will be further enhanced by the first input of the measured voltage being coupled to the ground via the first divider resistor to the second voltage input and second to the earthed resistor. The comparator output is connected via a fifth decoupling resistor to the comparator output of the wiring.

Výhodou zapojení jednobitového modulu kontinuálního analogově-číslicového převodníku podle vynálezu je, že zajištuje kontinuální měření a nepotřebuje povel pro započetí měření. Rychlost převodu je omezena pouze rychlostí operačních zesilovačů a komparétoru. Každý bit je možno'-samostatně hybridizovat a potom jednotlivé moduly sestavovat do řetězců dle potřeby. Konečné omezeni je dané pouze přesností odporové sítě a driftem operačních zesilovačů a komparétoru. Výhodou je, že celá operační sít je složena z odporů jedné velikosti a nezáleží na její absolutní hodnotě, ale pouze na shodě hodnot dvojice odporů.The advantage of connecting a single bit module of the continuous analog-to-digital converter according to the invention is that it ensures continuous measurement and does not need a command to start the measurement. The conversion speed is limited only by the speed of the operational amplifiers and comparator. Each bit can be hybridized separately and then assembled into strings as needed. The final limitation is given only by the accuracy of the resistor network and by the drift of the operational amplifiers and the comparator. The advantage is that the entire operating network consists of resistors of one size and does not depend on its absolute value, but only on the match of the values of a pair of resistors.

Příklad uspořádání podle vynálezu je schematicky znázorněn na připojeném výkrese.An example arrangement according to the invention is shown schematically in the attached drawing.

Na obr. 1 je základní zapojení jednobitového modulu analogově-číslicového převodníku.Fig. 1 shows the basic wiring of a one-bit analog-to-digital converter module.

Na obr. 2 je zapojení jednobitového modulu se dvěma ochrannými diodami. Na obr. 3 je zapojení jednobitového modulu s jednou společnou ochrannou diodou. Na obr. 4 a 5 je zapojení jednobitového modulu doplněného pro binárně dekadický kód.Fig. 2 shows the connection of a single bit module with two protection diodes. Fig. 3 shows the connection of a single bit module with one common protective diode. Figures 4 and 5 show the connection of a one-bit module supplemented for the binary decimal code.

Zapojení jednobitového modulu kontinuálního analogově-číslicového převodníku je provedeno takto. První vstup 100 měřeného napětí na obr. 1 je spojen s neinvertujícím vstupem 032 druhého operačního zesilovače Jas invertujícím vstupem 011 komparétoru £. Komparátor i je tvořen operačním zesilovačem s kladnou zpětnou vazbou. Výstup 013 komparétoru £ je spojen s prvním vývodem prvního oddělovacího odporu £ a 3 jedním vývodem druhého oddělovacího odporu £. Druhý vývod druhého oddělovacího odporu £ je spojen s bází prvního tranzistoru 6. Druhý vývod prvního oddělovacího odporu £ je spojen s bází druhého tranzistoru £. Kolektor druhého tranzistoru J je spojen s číslicovým výstupem 400 zapojení. Emitor druhého tranzistoru 7 je spojen se zemí. Kolektor prvního tranzistoru 6 je spojen se zemí. Emitor prvního tranzistoru 6 je spojen jednak přes třetí oddělovací odpor 8 se vstupem 200 referenčního napětí a s neinvertujícím vstupem 012 komparátoru J a dále je emitor prvního tranzistoru 6 spojen s aeinvertujíoím vstupem 022 prvního operačního zesilovače 2. Invertující vstup 021 prvního operačního zesilovače 2_je spojen jednak přes první zpětnovazehný odpor g se zemí, a jednak pře3 druhý zpětnovazehný odpor 10 s výstupem 02j prvního operačního zesilovače 2 a s jedním vývodem třetího zpětnovazebního odporu 11. Druhý vývod třetího zpětnovazebního odporu 11 je spojen jednak s invertujícím vstupem 031 druhého operačního zesilovače J, a jednak přes čtvrtý zpětnovazební odpor 12 s výstupem 033 druhého operačního zesilovače J a s analogovým výstupem 300 zapojení.The connection of a single bit module of the continuous analog-to-digital converter is done as follows. The first measured voltage input 100 in FIG. 1 is coupled to the non-inverting input 032 of the second operational amplifier Brightness by the inverting input 011 of the comparator 6. Comparator 1 is formed by opamp with positive feedback. The output 013 of the comparator 8 is connected to the first terminal of the first separating resistor a and 3 to one terminal of the second separating resistor.. The second terminal of the second decoupling resistor 6 is connected to the base of the first transistor 6. The second terminal of the first decoupling resistor 6 is connected to the base of the second transistor 6. The collector of the second transistor J is connected to the digital output 400 of the wiring. The emitter of the second transistor 7 is coupled to ground. The collector of the first transistor 6 is connected to ground. The emitter of the first transistor 6 is connected via a third decoupling resistor 8 to the reference voltage input 200 and the non-inverting input 012 of the comparator J, and the emitter of the first transistor 6 is connected to an inverter input 022 of the first operational amplifier. a first feedback resistor g to ground, and secondly a second feedback resistor 10 with output 02j of the first operational amplifier 2 and one terminal of the third feedback resistor 11. The second terminal of the third feedback resistor 11 is connected to the inverting input 031 of the second operational amplifier J and a fourth feedback resistor 12 with output 033 of the second operational amplifier J and an analog output 300 of the wiring.

Pro ochranu obou tranzistorů 6, 2 na obr. 2 je báze prvního tranzistoru 6 spojena s katodou první ochranné diody JJ, její anoda je spojena se zemí. Anoda druhé ochranné diody 14 je spojena se zemí a její katoda je spojena s bází druhého tranzistoru J.To protect the two transistors 6, 2 in FIG. 2, the base of the first transistor 6 is connected to the cathode of the first protective diode 11, its anode being connected to ground. The anode of the second protective diode 14 is coupled to ground and its cathode is coupled to the base of the second transistor J.

Ochranu obou tranzistorů 6, J před poškozením záporným napětím je možno též provést tak, že výstup 013 komparátoru J (obr. 3) je spojen přes čtvrý oddělovací odpor 15 s prvním vývodem prvního oddělovacího odporu J s prvním vývodem a druhého oddělovacího odporu g a s katodou třetí ochranné diody 16. jejíž anoda je spojena se zemí.Protection of both transistors 6, J against negative voltage damage can also be done by comparing output 013 of comparator J (Fig. 3) via a fourth isolation resistor 15 to the first outlet of the first isolation resistor J to the first outlet and the second isolation resistor to gas cathode third. a protective diode 16, the anode of which is connected to ground.

Pro binárně dekadický výstup je první jednobitový modul dekády doplněn na obr. 4 tak, že první vstup 100 měřeného napětí je spojen jednak přes první děličový odpor 17 s druhým vstupem 500 měřeného napětí a jednak přes druhý děličový odpor 18 se zemí. Výstup 013 komparátoru J je spojen přes pátý oddělovací odpor 19 s komparátorovým výstupem 600 zapojení.For the binary decimal output, the first one-bit decade module is supplemented in FIG. 4 so that the first measured voltage input 100 is connected via the first divider resistor 17 to the second measured voltage input 500 and via the second divider resistor 18 to ground. The output 013 of the comparator J is connected via a fifth decoupling resistor 19 to the comparator output 600 of the wiring.

Druhý a třetí jednobitový modul dekády na obr. 5 je doplněn tak, že první vstup 100 měřeného napětí je spojen přes Šestý oddělovací odpor 20 s invertujícím vstupem 011 komparétoru Jas anodou oddělovací diody 21 . jejíž katoda je spojena s komparátorovým vstupem 700 zapojení.The second and third one-bit decade modules in FIG. 5 are supplemented such that the first measured voltage input 100 is coupled via the Sixth decoupling resistor 20 to the inverting input 011 of the comparator Brightness by the anode of the decoupling diode 21. whose cathode is coupled to the comparator input 700 of the wiring.

Pro zjednodušení není zakresleno nulování a napájení operačních zesilovačů 2, J a komparátoru J.For simplicity, the power amplifiers 2, J and comparator J are not reset and powered.

Zapojení pracuje takto. Měření napětí se připojí na první vstup 100 měřeného napětí.The wiring works as follows. The voltage measurement is connected to the first input 100 of the measured voltage.

Na vstup 200 referenčního napětí se připojí referenční napětí. Je-li měřené napětí menší než napětí referenční, je na výstupu 013 komparátoru J kladné napětí a oba tranzistory 6, J jsou sepnuty. Druhý tranzistor J je výstupní spínač daného bitu. Prvním tranzistorem 6 se uzemní neinvertujlcí vstup 022 prvního zesilovače 2. Tím je na invertujícím vstupu 031 druhoho zesilovače J nulové napští. Měřené napětí přivedené z prvního vstupu 100 měřeného napětí na neinvertující vstup 032 druhého operačního zesilovače J při shodnosti třetího zpštno vazebního odporu JJ a čtvrtého zpětnovazebního odporu 12 se zesílí 2x a vede na analogový výstup 300 zapojení a odtud na vstup dalšího modulu, kde se porovnání a zesílení opakuje. Dosáhne-li měřené napětí hodnoty referenčního napětí, překlopí komparátor J, a na jeho výstupu 013 se objeví záporné napětí. Tím se rozepne druhý tranzistor J i první tranzistor 6. N&íivýstupu prvního operačního zesilovače 2 je PW shodnosti prvního zpětnovazebního odporu 3 a druhého zpětnovazebního odporu 10 dvojnásobné referenční napětí, které se přes třetí zpětnovazební odpor 11 přivede na invertující vstup 031 druhého operačního zesilovače J a odečte se od měřeného napětí přivedeného na neinvertující vstup 032 druhého operačního zesilovače J. Při shodě napětí měřeného a referenčního je tedy na výstupu 033 druhého operačního zesilovače J nulové napětí a druhý tranzistor J je rozpojen. Zvětší-li se dále měřené napětí, druhý tranzistor J zůstane rozpojen a výstupní napětí na analogovém výstupu 300 zapojení se bude zvětšovat. Tak je možno řadit jednotlivé moduly a zvolit si potřebný počet bitů, z nichž každý další má dvojnásobnou citlivost. Celková přesnost je daná přesností poměru jednak prvního zpětnovazebního odporu 3 ® druhého zpětnovazebního odporu 10. dále přesností poměru třetího zpětnovazebního odporu 11 a čtvrtého zpětnovazebního odporu 12 a konečně driftem obou operačních zesilovačů 2, J a komparátoru 2· Největší chyba vzniká u nejvyšší váhy, u každé další je vždy poloviční.A reference voltage is applied to the reference voltage input 200. If the measured voltage is less than the reference voltage, there is a positive voltage at comparator output 013 and both transistors 6, J are closed. The second transistor J is the output switch of the bit. The non-inverting input 022 of the first amplifier 2 is grounded by the first transistor 6. Thus, a zero voltage is applied to the inverting input 031 of the second amplifier J. The measured voltage applied from the first measured voltage input 100 to the non-inverting input 032 of the second operational amplifier J at the same time of the third feedback resistor 11 and the fourth feedback resistor 12 is amplified 2X and applied to the analog wiring output 300 and thence to the next module input. amplification repeats. When the measured voltage reaches the reference voltage value, comparator J flips, and a negative voltage appears at its output 013. This opens the second transistor J and the first transistor 6. At the output of the first operational amplifier 2, the PW of the first feedback resistor 3 and the second feedback resistor 10 is twice the reference voltage, which is applied via the third feedback resistor 11 to the inverting input 031 of the second operational amplifier J. Thus, from the measured voltage applied to the non-inverting input 032 of the second operational amplifier J. If the measured and reference voltages coincide, the output 033 of the second operational amplifier J is zero voltage and the second transistor J is disconnected. If the measured voltage continues to increase, the second transistor J remains open, and the output voltage at the analog wiring output 300 increases. Thus, it is possible to sort individual modules and select the required number of bits, each of which has double the sensitivity. The overall accuracy is given by the accuracy of the ratio of the first feedback resistor 3 ® to the second feedback resistor 10. Furthermore, the accuracy of the ratio of the third feedback resistor 11 to the fourth feedback resistor 12 and finally the drift of the two operational amplifiers 2, J and comparator 2 each other is always half.

Ochranné diody 22» 21» 2Š ^na obr. ^{2 * * * 8} obr. 3 slouží k ochraně obou tranzistorů 6, 2. před záporným napětím.The protective diodes 22 »21» 2Š ⁱⁿ Fig. ^{2 * * * 8} Fig. 3 serve to protect both transistors 6, 2 from negative voltage.

Přirozeným výstupem takto zapojených jednobitových modulů spojených do série je binární kód. Při binárnš-dekadiekém kódu pracuje zapojení takto! V prvním jednobitovém modulu dekády se přivádí měřené napětí na druhý vstup 500 měřeného napětí na obr. 4 a přes dělič sestavený z děličových odporů 22» 18 na první vstup 100 měřeného napětí a pak je funkce shodná jako v předcházejícím bodě. Dosáhne-li hodnota měřeného napětí za odporovým děličem 17. 18 na invertujícím vstupu 011 komparátoru 2 větší hodnotu,než je hodnota referenčního napětí, komparátor 1 překlopí a z jeho výstupu 013 se přes pátý oddělovací odpor 19 přivede záporné napětí na komparátorový výstup 600.The natural output of such connected single-bit modules connected in series is a binary code. With binary-decimal code, the connection works as follows! In the first one-bit decade module, the measured voltage is applied to the second measured voltage input 500 in FIG. 4 and through a divider made up of the divider resistors 22, 18 to the first measured voltage input 100 and then the function is the same as in the previous point. If the measured voltage value behind the resistive divider 17, 18 at the inverting input 011 of the comparator 2 reaches a value greater than the reference voltage, the comparator 1 flips and a negative voltage is applied to the comparator output 600 via its fifth decoupling resistor 19.

Druhý a třetí jednobitový modul dekády se doplní o šestý oddělovací odpor 20 a oddělovací diodu 22· Signál z komparátorového výstupu 600 prvního modulu se přivede na komparétorový vstup 700 druhého a třetího modulu. Tím se přes ochrannou diodu 21 invartující vstup 011 komparátoru 2 připojí na záporné napětí a komparátor 2 nemůže překlopit bez ohledu na velikost měřeného napětí. U dalších dekád se postupuje stejně.The second and third one-bit decade modules are supplemented with a sixth decoupling resistor 20 and a decoupling diode 22. The signal from the comparator output 600 of the first module is applied to the comparator input 700 of the second and third modules. In this way, the inverting input 011 of comparator 2 is connected via a protective diode 21 to a negative voltage and the comparator 2 cannot overturn regardless of the magnitude of the measured voltage. For the next decades, the procedure is the same.

Vynálezu se využije v regulační a měřicí technice pro převod analogových signálů na dvouhodnotové signály.The invention will be used in control and measurement techniques to convert analog signals to two-valued signals.

Claims

1. Connection of a one-bit continuous analog-to-digital converter module in which the first input of the measured voltage is connected to an inverting input of a comparator whose output is connected to a first terminal of a first decoupling resistor and a first terminal of a second decoupling resistor. while the second terminal of the first decoupling resistor is connected to the base of the second transistor whose collector is connected to the digital output wiring and the emitter of the second transistor is coupled to ground to which the collector of the first transistor is connected. a reference voltage input and a non-inverting comparator input, characterized in that the first measured voltage input (100) is coupled to the non-inverting input (032) of the second opamp (3) and the emitter of the first transistor (6) is coupled to the non-inverting input (022) of the first operational amplifier (2), whose inverting input (021) is connected both to the ground through the first feedback resistor (9) and through the second feedback resistor (10) to the output (023) of the first operational amplifier (2) and a third feedback resistor terminal (11), the second terminal of which is connected both to the inverting input (031) of the second operational amplifier (3) and through the fourth feedback resistor (12) to the output (033) of the second operational amplifier (3) and analog output ( 300) wiring. ·

2. A one-bit module connection according to claim 1, characterized in that the first measured voltage input (100) is connected to the ground via a first divider (17) to the second measured voltage input (500) and to a ground via a second divider (18). wherein the output (013) of the comparator (1) is connected via a fifth decoupling resistor (19) to the comparator output (600) of the wiring

Wiring according to claim 1 and 2, characterized in that the first measured voltage input (100) is connected via the Sixth Isolation Resistor (20) to the inverting input (011) of the comparator (1) and to the anode of the isolation diode (21), is coupled to a comparator input (700) of the wiring.