CS261755B1

CS261755B1 - Convertor voltage-digit

Info

Publication number: CS261755B1
Application number: CS863190A
Authority: CS
Inventors: Zdenek Rndr Csc Nemecek; Jana Rndr Csc Safrankova
Original assignee: Zdenek Rndr Csc Nemecek; Jana Rndr Csc Safrankova
Priority date: 1986-05-04
Filing date: 1986-05-04
Publication date: 1989-02-10
Also published as: CS319086A1

Abstract

Je řešen převodník napětí-číslo, který má logaritmickou závislost mezi vstupním napětím a výstupním číslem, což umožňuje při zadané relativní chybš převo du zmenšit počet nezbytných bitů výstupního čísla. Převodník napětí-číslo sestává ze vstupních obvodů, připojených na první vstup komparátoru, na jehož druhý vstup je připojen zdroj srovnávacího napětí. Na výstup komparátoru je připojen hradlovací obvod, na jehož výstup je připojen čítač. Zdroj srovnávacího napětí je tvořen zdrojem s exponenciální závislostí výstupního napětí na výstupním čísle. Při napojení takto vzniklého logaritmického převodníku napětí-číslo na mikropočítač se snižuje počet kroků nutných k zavedení výsledku převodu do počítače a odpadá nutnost programového logaritmování výsledku.Voltage-Number Converter is Solved which has a logarithmic dependency between input voltage and output number, which permits conversion when given relative error reduce the number of necessary output bits numbers. Voltage-Number Converter consists of from input circuits connected to the first comparator input, to the other the input is connected to a comparator source Tension. Connected to comparator output the gating circuit to which it is output connected counter. Comparative voltage source it is a source with exponential dependence output voltage at the output number. When connecting the resulting logarithmic voltage-to-microcontroller converter reduces the number of steps required to transfer the result to a computer and there is no need for program logarithm result.

Description

Vynález se týká převodníku napětí-číslo pro číslicové měření elektrického napětí.The present invention relates to a voltage-to-number converter for the digital measurement of electrical voltage.

Známá zařízení pro převod napětí na číslo, A-D převodníky, provádějí převod tak, že vstupní napětí a výstupní číslo jsou přímo úměrné. Pokud je potřebná jiná škála než lineární, dosahuje se ji bud předběžným zpracováním vstupního signálu v dílčích rozsazích, systémy a volbou rozsahu, nebo zpracováním výstupní číslicové informace v logických sítích nebo počítačích. Nevýhodou prvého způsobu je relativně složitá konstrukce vstupní části převodníku a skutečnost, že logaritmická škála je modelována několika lineárními úseky. Nevýhodou druhého způsobu, kdy se jedná o následné zpracováni výstupní informace je, že vstupní měřeni je prováděno v celé škále s přesností, odpovídající nejnižšímu bitu informace, ačkoliv chyba kvantování výstupní informace roste přímo úměrně výstupnímu údaji. Tím se zbytečně prodlužuje doba převodu.The known voltage-to-number conversion devices, A-D converters, perform the conversion so that the input voltage and the output number are directly proportional. If a scale other than linear is required, this is achieved either by pre-processing the input signal in sub-ranges, systems and range selection, or by processing the output digital information in logical networks or computers. The disadvantage of the first method is the relatively complicated construction of the input part of the converter and the fact that the logarithmic scale is modeled by several linear sections. A disadvantage of the second method of post-processing the output information is that the input measurement is performed in a full scale with an accuracy corresponding to the lowest bit of the information, although the error of quantization of the output information increases proportionally to the output data. This unnecessarily extends the transfer time.

Tyto převodníky sestávají ze vstupních obvodů, které mohou být tvořeny usměrňovači, integrátory, zesilovači, vzorkovacími zesilovači, převodníky na absolutní hodnotu nebo jejich kombinací, komparátoru číslicového obvodu pro formování výstupního čísla, to je čítače nebo aproximačního registru a zdroje srovnávacího napětí, přímo úměrného výstupnímu číslu. Při práci převodníku se pomocí impulzů, přivedených na vstup číslicového obvodu výstupní číslo snižuje nebo zvyšuje, zároveň se tím mění srovnávací napětí a kompatátorem je srovnávána hodnota tohoto srovnávacího napětí se vstupním napětím, upraveným ve vstupním obvodu. V okamžiku, kdy je s ohledem na chybu kvantování, dosaženo rovnosti mezi srovnávacím napětím a napětím vstupním, je převod ukončen a výstupní číslo je mírou velikosti vstupního napětí.These converters consist of input circuits, which may consist of rectifiers, integrators, amplifiers, sample amplifiers, absolute value converters or a combination thereof, a digital circuit comparator for forming an output number, i.e. a counter or approximation register, and a comparative voltage source, proportional to the output number. During the operation of the converter, the pulses applied to the input of the digital circuit reduce or increase the output number, at the same time changing the reference voltage and comparing the value of this reference voltage with the input voltage provided in the input circuit. When the equivalence between the reference voltage and the input voltage is reached due to the quantization error, the conversion is terminated and the output number is a measure of the magnitude of the input voltage.

Výše uvedené nevýhody odstraňuje převodník napětí-číslo, sestávající ze vstupních obvodů, připojených na první vstup komparátoru, na jehož druhý vstup je připojen zdroj srovnávacího napětí a na výstup komparátoru je připojen hradlovací obvod, na jehož výstup je zapojen čítač. Jeho podstatou je, že zdroj srovnávacího napětí je tvořen zdrojem s exponenciální závislostí výstupního napětí na výstupním čísle.The above-mentioned disadvantages are eliminated by a voltage-to-number converter consisting of input circuits connected to the first comparator input, to the second input of which a comparative voltage source is connected and to the comparator output, a gating circuit connected to the output of which a counter is connected. Its essence is that the comparative voltage source consists of a source with exponential dependence of the output voltage on the output number.

Nový účinek vynálezu se projeví v tom, že při dosažení rovnosti mezi srovnávacím napětím Ur a vstupním napětím Uv je výstupní číslo m úměrné logaritmu vstupního napětí, jak jednoduše plyne z následujících vztahů:The novel effect of the invention results in that, when equality between the reference voltage Ur and the input voltage Uv is reached, the output number m is proportional to the logarithm of the input voltage, as simply follows from the following formulas:

Ur = UvUr = Uv

Ur = . exp y^m/ ln Cj - ln Uv m - ^C2 kde Cj a jsou kontakty, závislé na konkrétním provedení převodníku.Ur =. exp y ^ m / ln Cj - ln Uv m - ^C 2 where Cj a are the contacts depending on the particular converter design.

Logaritmická závislost mezi vstupním napětím a výstupním číslem umožňuje při zadané relativní chybě převodu zmenšit počet nezbytných bitů výstupního čísla, např. pro chybu 3 % a rozsah měřených napětí 10⁴ je v lineárním provedení nezbytné osmnácti bitové číslo, kdežto v logaritmickém provedení stačí číslo sedmi bitové. Pro prozatím nejrychlejší způsob převodu, kterým je aproximační převod, to znamená snížení počtu kroků nezbytných k převodu z 18 na 7 a tím zhruba zdvojnásobení rychlosti převodu. Při napojení převodníku na mikro- * počítače, které obvykle pracují s osmibitovými slovy se snižuje počet kroků nutných k zavedení výsledku převodu do počítače a odpadá nutnost programového logaritmování výsledků.Logarithmic dependence between input voltage and output number allows to reduce the number of necessary bits of output number for given relative conversion error, eg for error of 3% and range of measured voltages 10 ⁴ requires 18 bit number in linear design. . For the fastest conversion method so far, which is an approximation conversion, this means reducing the number of steps required to convert from 18 to 7, thus roughly doubling the conversion rate. Connecting the converter to micro-computers that usually work with 8-bit words reduces the number of steps required to load the conversion result into the computer and eliminates the need for program logarithmic results.

Na připojených výkresech jsou uvedeny příklady principiálního zapojení dvou z mnoha možných realizací logaritmického převodníku podle vynálezu. Na obr. 1 je schéma analogického převodníku napětí-číslo s jednoduchou integrací, na obr. 2 schéma vycházející z aproximačního převodníku napětí-číslo.The accompanying drawings show examples of the principle connection of two of the many possible embodiments of a logarithmic converter according to the invention. Fig. 1 is a diagram of an analogue voltage-to-number converter with a single integration; Fig. 2 is a diagram based on an approximate voltage-to-number converter.

.261755.261755

Logaritjnetický převodník napětí-číslo podle obr. 1 sestává ze vstupního obvodu 2' připojeného na první vstup komparátorů 2, zdroje 2 srovnávacího napětí s exponenciálním Sašovým průběhem, připojeného na druhý vstup komparátorů 2 ^a čítače £ zapojeného pro čítání dolů a připojeného na výstup hradlovacího obvodu 2·The logarithmic voltage-converter of FIG. 1 consists of an input circuit 2 'connected to a first input of comparators 2, a comparative voltage source 2 with an exponential sash curve, connected to a second input of comparators 2, ^{and a} counter 6 connected for counting down and connected to the gate circuit output. 2 ·

Vstupní obvod 2 může být tvořen libovolným ze vstupních obvodů používaným v analogově-digitálních převodnících jako jsou zesilovače, integrátory, usměrňovače, převodníky na absolutní hodnotu nebo vzorkovací zesilovače.The input circuit 2 can be any input circuit used in analog-to-digital converters such as amplifiers, integrators, rectifiers, absolute value converters or sampling amplifiers.

Komparátor 2_ je obvyklý obvod, realizující funkci rovnosti, popřípadě =, = .The comparator 2 is a conventional circuit which performs the function of equality, optionally =, =.

Zdroj 2 srovnávacího napětí je v tomto případě realizován vybíjením kondenzátorů, nabitého na pevnou hodnotu referenčního napětí U_r, přes odpor.In this case, the comparative voltage source 2 is realized by discharging capacitors charged to a fixed value of the reference voltage U _r via a resistor.

Čítač 4 je obvyklý binární nebo binárně dekadický čítač čítající dolů a opatřený nastavovacím vstupem S a vstupem T čítaných impulzů. Soubor jeho výstupů, tedy výstupní číslo m, tvoří výstup převodníku napětí-číslo.Counter 4 is a conventional binary or binary decimal counter counting down and provided with a set input S and a count pulse input T. The set of its outputs, ie the output number m, forms the output of the voltage-number converter.

Hradlovací obvod 2 3^e tvořen jedním nebo několika hradly a klopnými obvody a jeho účelem je po příchodu impulzu pro začátek převodu na vstup A začít propouštět impulzní signál o frekvenci f ze vstupu B na vstup T čítaných impulzů čítače £ do té doby, než přijde signál z komparátorů 2_. Na základě tohoto signálu přeruší hradlový obvod 5_ tok impulzů ze vstupu B na vstup T čítaných impulzů čítače 4.Gating circuit 2 3 ^e formed by one or several gates and flip-flops, and its purpose is after the arrival of the pulse to begin conversion on input and begin to transmit a pulse signal with a frequency f of B input to the input T read-out pulse counters £ until before coming signal from comparators 2. Based on this signal, the gate circuit 5 interrupts the pulse flow from input B to input T of the counted pulses of counter 4.

Převodník napětí-číslo pracuje následujícím způsobem. Před příchodem impulzu na vstup A je kondensátor ve zdroji 2 srovnávacího napětí nabit na hodnotu U_r a tato hodnota je na druhém vstupu komparátorů 2. Na prvním vstupu komparátorů 2 3^e měřené napětí U_y, upravené vstupním obvodem 2· Impulzy o frekvenci f ze VBtupu B neprocházejí hradlovacím obvodem 5 na čítač 2* V čase t_Q náběžná hrana impulzu na vstupu A otevře hradlovací obvod 5, nastaví čítač £ do stavu M odpovídajícího plnému rozsahu převodníku a připne ke kondensátoru ve zdroji srovnávacího napětí odpor hodnoty R. Napětí na výstupu zdroje 2 srovnávacího napětí bude mít tedy průběhThe voltage-to-number converter works as follows. Before the pulse arrives at input A, the capacitor in the comparator voltage source 2 is charged to U _r and this value is on the second input of comparators 2. At the first input of comparators 2 3 ^{e the} measured voltage U _y , adjusted by input circuit 2 At time t _{Q, the} rising edge of the pulse at input A opens the gating circuit 5, sets the counter 5 to the state M corresponding to the full range of the converter, and attaches a resistance value R to the capacitor in the reference voltage source. Thus, the reference voltage source 2 will have a waveform

U₈ - U_r . exp /kde R je hodnota odporu a C hodnota kondenzátorů ve zdroji 2 srovnávacího napětí.U ₈ - U _r . exp / where R is the resistance value and C is the capacitor value in the reference voltage source 2.

Zároveň se bude měnit obsah čítače 2' tedy výstupní číslo m na výstupu převodníku napětí-číslo m - M - f . /t - t_Q/.At the same time, the content of the counter 2 ', i.e. the output number m at the output of the voltage converter-number m - M - f, will change. / t - t _Q /.

V okamžiku tp kdy dojde k rovnosti napětí na vstupech komparátorů 2, bude platit:At the moment tp when the voltage on the comparator 2 inputs is equal, the following applies:

^Us 'V - °v ’ ^Dr · ^βχΡ >- ^ST^fm/t₁Z - M - f /t₃ - t_Q/ a tedy m/t₁/ - /M-f.R.C.lnU_r/ + f.R.C.lnO_y. ^U s 'V - ° v' ^D r · ^βχ Ρ> - ^ ST ^f m / t ₁ Z - M - f / t ₃ - t _Q / and thus m / t ₁ / - /Mf.RClnU _r / + fRClnO _y .

V tomto okamžiku se zavře hradlovací obvod 2 ^{a na} výstupu zůstane výstupní číslo m/t^/, úměrné logaritmu vstupního napětí. Čísla M, f, R, C a jsou volitelná a je možno jimi nastavit přesnost, rozsah a rychlost převodu.At this point, the gating circuit 2 closes ^{and the} output number m / t ^ remains proportional to the logarithm of the input voltage. The numbers M, f, R, C and are optional and can be used to adjust the accuracy, range and speed of the conversion.

Jiné provedení převodníku napětí-číslo vychází ze zapojení aproximačního analogově-digi tálnlho převodníku. Skládá se podle obr. 2 ze vstupního obvodu 1, komparátoru 2, převodníku 8 číslo-napětí, aproximačního registru 2 a je doplněno o exponenciální konvertor 6. Zdroj s exponenciální závislostí výstupního napětí na výstupním čísle je v tomto případě tvořen exponenciálním konvertorem 6, připojeným na výstupy aproximačního registru T_ ^a převodníkem 2 člslo-napětí, připojeným na výstup tohoto exponenciálního konvertoru 2· Funkce vstupního obvodu jL a komparátoru 2 odpovídají funkcím v popisu předchozího převodníku napětí-číslo, funkce aproximačního registru 7_ a převodníku 2 člslo-napětí jsou analogické funkcím těchto obvodů v běžném aproximačhím analogově-digitálním převodníku, to znamená, že převodník 8 číslo-napětí převádí číslo na svém vstupu na napětí přímo úměrné tomuto číslu. Aproximační registr 2 ba základě signálů na svých vstupech hledá pomocí komparátoru 2 nejbližší aproximaci napětí na vstupu výstupním číslem m. Zapojením exponenciálního konvertoru 6, který může být realizován hradlovou síti, pamětí nebo jiným způsobem mezi výstupy aproximačního registru 2 ^a převodníku 2 člslo-napětí se dosahuje požadovaného účinku. V okamžiku ukončení převodu je napětí na výstupu převodníku S člslo-napětí rovno vstupnímu napětí U_y. Platí tedyAnother embodiment of the voltage-to-number converter is based on the connection of an analog-to-digital converter. It consists of the input circuit 1, comparator 2, number-voltage converter 8, approximation register 2 and is supplemented by an exponential converter 6. The source with the exponential dependence of the output voltage on the output number is in this case formed by the exponential converter 6, connected to the outputs of the approximation register T ^{and the} cell-voltage converter 2 connected to the output of this exponential converter 2 · The functions of the input circuit jL and comparator 2 correspond to those of the previous voltage-number converter. These circuits in a conventional analog-to-digital converter, that is, the number-voltage converter 8 converts the number on its input to a voltage proportional to that number. Approximation register 2 b and on the signals on its inputs looking through the comparator 2 closest approximation of the voltage at the input of the output number m. Involvement exponential converter 6, which may be implemented by a gate network, memory, or other means between the outputs of the approximation register 2 ^and transducer 2 člslo-voltage achieves the desired effect. At the end of the conversion, the voltage at the output of S-voltage converter S is equal to the input voltage U _y . So it is

to znamená, že m = ln U_y.that is, m = ln U _y .

Claims

A voltage-to-number converter consisting of input circuits connected to a first comparator input having a comparative voltage source connected to a second input, and a gating circuit connected to a comparator output connected to a comparator output, characterized in that the comparative voltage source is formed by the source / 3 / with the exponential dependence of the output voltage on the output number.