CZ201751A3

CZ201751A3 - A method of scanning and algorithmic sampling of a dynamic waveform of a wide-range voltage signal

Info

Publication number: CZ201751A3
Application number: CZ2017-51A
Authority: CZ
Inventors: Martin Janda
Original assignee: Advanced Micro Testers s.r.o.
Priority date: 2017-01-30
Filing date: 2017-01-30
Publication date: 2018-08-08

Abstract

Vynález se týká způsobu vysokorychlostního vzorkování průběhu napěťového signálu s velmi širokým napěťovým rozsahem. Uvedený způsob je založený na simultánním zesílení vstupního signálu (U.IN) soustavou zesilovačů (2.1 až 2.N) s různým zesílením, jejichž výstupy s různou napěťovou úrovní (U.1 až U.N) jsou simultánně vzorkovány soustavou analogově-digitálních převodníkových kanálů (4.1 až 4.N), jejichž výstupní digitální data zpracuje procesorová jednotka (5) tak, že ignoruje ty napěťové úrovně (U.1 až U.N), které indikují, že součin vstupního napětí (U.IN) a zesílení daného zesilovače (2.1 až 2.N) přesahuje výstupní rozsah zesilovače. Jako výstupní vzorek z napěťových úrovní (U.1 až U.N), které se nacházejí ve výstupním rozsahu zesilovačů, procesorová jednotka (5) vybere napěťovou úroveň s nejvyšší absolutní hodnotou napětí.BACKGROUND OF THE INVENTION The present invention relates to a method for high-speed sampling of a voltage signal with a very wide voltage range. Said method is based on simultaneous amplification of input signal (U.IN) by a set of amplifiers (2.1 to 2.N) with different gains, whose outputs of different voltage levels (U.1 to UN) are simultaneously sampled by a set of analog-to-digital converter channels ( 4.1 to 4.N), whose output digital data is processed by the processor unit (5) by ignoring those voltage levels (U.1 to UN) which indicate that the product of the input voltage (U.IN) and the gain of the given amplifier (2.1) to 2.N) exceeds the amplifier output range. As an output sample from the voltage levels (U.1 to U.N) located in the amplifier output range, the processor unit (5) selects the voltage level with the highest absolute voltage value.

Description

Vynález z oblasti elektrotechniky se týká snímání napěťových analogových signálů.The invention in the field of electrical engineering relates to sensing voltage analog signals.

Dosavadní stav technikyBACKGROUND OF THE INVENTION

Současné metody snímání širokorozsahových napěťových signálů jsou založeny na využití vstupního zesilovače s měnitelným zesílením, jehož výstup je poté za pomoci analogovědigitálního převodníku vzorkován a tím dojde k záznamu dynamického průběhu signálu. Tyto metody mohou při vhodně navrženém počtu rozsahů, jejich poměru a bitové šířky analogově-digitálního převodníku dosáhnout téměř libovolné přesnosti měření v celém měřícím rozsahu. Limitním faktorem je však stav, kdy požadovaná perioda vzorkování je kratší, než doba ustálení a zotavení parametrů vstupního zesilovače po přepnutí jeho zesílení. Řešení tohoto problému bývá velmi problematické, zejména z hlediska nutnosti akceptovat řešení, která vedou ke zhoršení komplexní kvality měření.Current methods of sensing wide-range voltage signals are based on the use of a variable amplifier input amplifier, whose output is then sampled using an analog-to-digital converter to record the dynamic waveform of the signal. With a suitably designed number of ranges, their ratio and the bit width of the A / D converter, these methods can achieve almost any measurement accuracy over the entire measuring range. The limiting factor, however, is the condition where the required sampling period is shorter than the stabilization and recovery time of the input amplifier after switching the amplification. The solution to this problem is very problematic, especially in terms of the need to accept solutions that lead to a deterioration in the complex quality of measurement.

Jedním z možných řešení je použití pouze jediného rozsahu pro celý vzorkovaný průběh signálu. Toto řešení je však i při použití nejnovějších velmi rychlých analogově-digitálních převodníků s šířkou až 18 bitů , pro některé záznamy průběhů s velmi širokým rozsahem vstupního signálu stále nevyhovující. Další nevýhodou je fakt, že při měření ve spodní oblasti rozsahu je amplitudová úroveň signálu na spojení mezi výstupem vstupního zesilovače a vstupem analogově-digitálního převodníku na velmi nízké úrovni, čímž je výsledná přesnost měření významně ovlivněna okolním rušením a všemi driftovými nestabilitami.One possible solution is to use only a single range for the entire sampled waveform. However, this solution is still unsatisfactory even when using the latest very fast analog-to-digital converters up to 18 bits wide, for some waveforms with a very wide input signal range. Another disadvantage is that when measuring in the lower range, the amplitude level of the signal at the connection between the output of the input amplifier and the input of the A / D converter is very low, whereby the resulting measurement accuracy is significantly influenced by ambient interference and all drift instabilities.

Dalším možným řešením je použití vstupního zesilovače s extrémně dobrými dynamickými parametry, jejichž dosažení je však téměř zákonitě doprovázeno snížením přesnosti.Another possible solution is to use an input amplifier with extremely good dynamic parameters, but achieving this is almost necessarily accompanied by a decrease in accuracy.

Podstata vynálezuSUMMARY OF THE INVENTION

Tuto významnou nevýhodu odstraňuje způsob snímání a algoritmického vzorkování dynamického průběhu široko-rozsahového napěťového signálu podle tohoto vynálezu. Jeho podstatou je to, že vstupní napěťový signál je simultánně zesílen soustavou s více než jedním vstupním zesilovačem, tak aby počet zesílených napěťových úrovní odpovídal počtu a parametrům požadovaných rozsahů.This significant disadvantage is overcome by the method of sensing and algorithmic sampling of the dynamic waveform of the wide-range voltage signal of the present invention. Its essence is that the input voltage signal is simultaneously amplified by a system with more than one input amplifier, so that the number of amplified voltage levels corresponds to the number and parameters of the desired ranges.

Každá z těchto zesílených napěťových úrovní je vzorkována samostatným analogovědigitálním převodníkovým kanálem s tím, že vzorkování všech napěťových úrovní probíhá simultánně. Není přitom podstatné, zda-li se použije soustava jednokanálových analogově-digitálních převodníků, nebo vícekanálový analogově-digitální převodník s odpovídající počtem převodních jednotek, nebo vícekanálový analogově-digitální převodník s jedním převodovým jádrem a odpovídajícím počtem SHA ( Sample and Hold Amplifier) vstupů.Each of these amplified voltage levels is sampled by a separate analog-to-digital converter channel, with all voltage levels being sampled simultaneously. It is irrelevant whether a set of single-channel analog-to-digital converters or a multi-channel to-analog converter with a corresponding number of conversion units is used, or a multi-channel to-analog converter with a single core and a corresponding number of SHA (Sample and Hold Amplifier) inputs.

Napěťové rozsahy na výstupech zesilovací soustavy a vstupech analogově-digitální převodníkové soustavy jsou shodné. Proto je stav, kdy součin vstupního napětí a zesílení zesilovače je větší než výstupní rozsah zesilovače a výstupní napětí ze zesilovače, resp. vstupní napětí do analogově-digitálního převodního kanálu je tak na úrovni jedné mezních hodnot jeho vstupního napěťového rozsahu, detekovaný digitální hodnotou, která odpovídá jedné z těchto mezních hodnot.The voltage ranges at the outputs of the amplifier system and the inputs of the A / D converter are the same. Therefore, the state where the product of the input voltage and amplifier amplification is greater than the output range of the amplifier and the output voltage from the amplifier, respectively. the input voltage to the analog-to-digital conversion channel is thus at the level of one limit of its input voltage range, detected by a digital value that corresponds to one of these limit values.

Procesorová jednotka, která zpracovává digitální data ze soustavy analogově-digitálních převodníkových kanálů ignoruje tyto mezní hodnoty a jako výstupní hodnotu daného vzorku vybírá hodnotu, která odpovídá nejvyšší absolutní hodnotě na jedné ze zesílených napěťových úrovní, které se nacházejí v intervalu hodnot mezi mezními hodnotami napěťového rozsahu výstupů ze zesilovačů, resp. vstupů do analogově-digitálních převodníkových kanálů.A processor unit that processes digital data from an analog-to-digital converter channel system ignores these limit values and selects the value that corresponds to the highest absolute value at one of the amplified voltage levels within the range of the voltage range limits as the output value of the sample. outputs from amplifiers, respectively. inputs to analog-to-digital converter channels.

Ke vzorkování je tak zvolena zesílená napěťová úroveň s nejvyšší napěťovou hodnotou, která je z hlediska přesnosti nejodolnější vůči rušivým vlivům. V kombinaci s tím, že není potřeba během vzorkování přepínat zesílení zesilovačů, je toto řešení podle vynálezu velmi efektivní pro vysokorychlostní snímání dlouhých signálových průběhů s velmi širokým napěťovým rozsahem.The amplified voltage level with the highest voltage value, which is the most resistant to disturbances in terms of accuracy, is chosen for sampling. Combined with the fact that it is not necessary to switch the amplifier gain during sampling, this solution according to the invention is very efficient for high-speed sensing of long signal waveforms with a very wide voltage range.

Objasnění výkresůClarification of drawings

Vynález je blíže ilustrován pomocí výkresů, kde:The invention is illustrated in more detail by means of the drawings, in which:

na obrázku 1 je znázorněno obecné schéma řešení podle vynálezu, na obrázku 2 je znázorněno zjednodušené schéma příkladu uskutečnění vynálezu.Figure 1 shows a general diagram of the solution according to the invention; Figure 2 shows a simplified diagram of an embodiment of the invention.

Příklad uskutečnění vynálezuDETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

Vzorkovací obvod podle obrázku 2 je tvořen vstupním odporovým děličem (6), jehož výstup (U.IN) je přiveden do 3 instrumentálních zesilovačů (2.1 až 2.3). Vstupní signál (U.IN) je na výstupu zesilovače (2.1) zesílen lx, na výstupu zesilovače (2.2) je zesílen lOx a na výstupu zesilovače je zesílen lOOx.The sampling circuit of Figure 2 consists of an input resistive divider (6), the output of which (U.IN) is fed to 3 instrumental amplifiers (2.1 to 2.3). The input signal (U.IN) is amplified 1x at the amplifier output (2.1), 10x amplified at the output of the amplifier (2.1) and 100x amplified at the amplifier output.

Zesílené napěťové úrovně ( U.l až U.3) jsou z uspořádání single ended převedeny do diferenčních vstupů analogově digitálních převodníků ( 4.1 až 4.3) typu AD7960 pomocí operačních zesilovačů (7.1 až 7.3) typu ADA4941.The amplified voltage levels (U.1 to U.3) are converted from the single ended arrangement to the differential inputs of AD7960 analogue to digital converters (4.1 to 4.3) using ADA4941 type operational amplifiers (7.1 to 7.3).

Napěťové úrovně ( U.l až U.3 ) jsou simultánně vzorkovány jejich synchronním taktováním z řídícího DSP procesoru (5) třídy AD-blackfin, který v každé vzorkovací periodě vyhodnotí digitální hodnotu napětí (U.l až U.3) na vstupu každého analogově-3-The voltage levels (U.1 to U.3) are simultaneously sampled by synchronous clocking from the AD-blackfin class DSP processor (5), which evaluates the digital voltage value (U.1 to U.3) at each analog-3- input at each sampling period.

digitálního převodníku (4.1 až 4.3). V případě, že hodnota, některé z těchto napěťových úrovní odpovídá stavu, kdy je na výstupu některého ze zesilovačů (2.1 až 2.3) napětí odpovídající jedné z mezních hodnot napěťového rozsahu výstupu zesilovače, což indikuje stav, kdy součin vstupního signálu (U.IN) a zesílení zesilovače (2.1 až 2.3) přesahuje měřitelnou hodnotu, řídící procesor (5) tuto úroveň ignoruje. Akceptuje pouze napěťové úrovně ( U.l až U.N), které se nacházejí uvnitř napěťového rozsahu výstupu zesilovačů ( 2.1 až 2.3). V případě, že je těchto napěťových úrovní detekováno více než 1, vybere řídící procesor (5) tu, která má nejvyšší absolutní hodnotu napětí.digital converter (4.1 to 4.3). If the value, any of these voltage levels corresponds to a state where the output of one of the amplifiers (2.1 to 2.3) is a voltage corresponding to one of the amplifier output voltage range limits, indicating the state where the product of the input signal (U.IN) and the amplifier gain (2.1 to 2.3) exceeds the measurable value, the control processor (5) ignoring this level. It only accepts voltage levels (U.l to U.N) that are within the amplifier output voltage range (2.1 to 2.3). If more than 1 voltage levels are detected, the control processor (5) selects the one that has the highest absolute voltage value.

Toto zapojení realizuje velmi rychlé (5Msamples/s) vzorkování širokorozsahového signálu (I) a to s přesností ±2 LSB 18-bitové šířky přičemž vstupní signál může během vzorkování velmi rychle fluktuovat v rozsáhlém pásmu vstupního rozsahu v řádu 1/10/100.This circuitry performs very fast (5Msamples / s) sampling of the wide-range signal (I) with an accuracy of ± 2 LSB of 18-bit width, and the input signal can fluctuate very rapidly over a large input bandwidth range of 1/10/100.

Průmyslová využitelnostIndustrial applicability

Způsob snímání napěťových analogových signálů podle vynálezu lze použít ve všech oblastech elektronického měření.The method of sensing voltage analog signals according to the invention can be used in all areas of electronic measurement.

Claims

Method for sensing and algorithmic sampling of the dynamic waveform of a wide-range voltage signal, characterized in that the input voltage signal (U.IN) is a system (1) consisting of N amplifiers (2.1 to 2.N) with different gain simultaneously amplified at N voltage levels (U1 to U1) with a voltage range (-U.MIN to U.MAX) that are a set (3) consisting of N analogue-to-digital converter channels (4.1 to 4.N) with an input voltage range (-U.MIN to U.MAX) simultaneously sampled, with the processing unit (5) ignoring those digital values (DO to DN) that correspond to voltage levels (U1 to UN) reaching -U.MIN, or + U.MAX by the resulting signal sample is displayed on the digital output (DO) the value corresponding to the highest absolute value of the voltage levels (U1 to UN), which are in the range greater than -U.MIN and less than + U.MIN.

1/2