ES2333734T3 - Dispositivo para la conversion analogica/digital de una tension medida. - Google Patents
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Abstract
Dispositivo para la digitalización de una tensión (U e) de medida, con un convertidor (1) analógico/digital que presenta un elemento (2) integrador con un amplificador (OP1) operacional, con una resistencia (R) y con una capacidad (C) en el circuito de realimentación, aplicándose en la entrada invertible del amplificador (OP1) operacional una tensión (Uref) de referencia, y aplicándose en la entrada no invertible del amplificador (OP1) operacional, la tensión (Ue) de medida, cargándose el condensador (C) durante una fase de carga con un tiempo (t 1) de carga, y descargándose durante una fase de descarga con un tiempo (t 2) de descarga, correspondiendo la suma de tiempo (t 1) de carga y tiempo (t2) de descarga a la duración (T) de un periodo, comprendiendo además el convertidor (1) analógico/digital un comparador (3) conectado a continuación del amplificador (OP1) operacional, un elemento (4) de memoria conectado a continuación del comparador (3), un generador (6) de tiempo que produce el tiempo (t 1) de carga y un contador (8), aplicándose en la entrada invertible del comparador (3), la tensión (U a) de salida del elemento (2) integrador, y en la entrada no invertible del comparador (3), una tensión (Uth) umbral, facilitando el convertidor (1) A/D en su salida, una señal (Uout) de salida modulada por la duración del impulso, con flancos y con la duración (T = t1 + t2) del periodo, detectando el contador (8) los flancos o la duración (T = t1 + t2) del periodo de la señal (Uout) de salida modulada por la duración del impulso, caracterizado porque la tensión (U ref) de referencia y el tiempo (t 1) de carga, son constantes, de manera que la tensión (U e) de entrada es inversamente proporcional a la duración (T) del periodo, y estando previsto un elemento (5) de sincronización que dentro de una duración predeterminada de la medida con una multitud de fases de carga y de descarga, sincroniza los flancos de la señal (Uout) de salida modulada por la duración del impulso, con el ritmo del contador (8), llevándose a cabo una conmutación entre las fases de carga y descarga mediante la sincronización con el contador (8) para una tensión (U a) de salida que está situada por encima de la tensión (U th) umbral, con lo que dentro de la duración predeterminada de la medida, se genera un ciclo de n valores de la medida con la resolución del contador (8).
Description
Dispositivo para la conversión analógica/digital
de una tensión de medida.
La invención se refiere a un dispositivo para la
digitalización de una tensión de medida.
Un procedimiento para la digitalización, o sea
para la conversión de una tensión analógica de entrada en un número
digital proporcional a la amplitud, lo plantea el procedimiento de
conteo. Acondicionamientos del procedimiento de conteo son el
procedimiento de una rampa y el procedimiento de dos rampas,
integrándose mediante un elemento integrador, en el procedimiento
primeramente citado, tan sólo la tensión de entrada, y en el
procedimiento citado en segundo lugar, la tensión de entrada y la
tensión de referencia.
La duración del periodo para la digitalización
de una señal de medida se establece mediante la suma del tiempo
t_{1} de descarga y del tiempo t_{2} de descarga de un
condensador que está dispuesto en el circuito de realimentación del
elemento integrador. La conmutación entre la fase de carga y la fase
de descarga, se lleva a cabo respectivamente en el momento cuando
la tensión de salida del elemento integrador alcanza una tensión
umbral predeterminada. Esto se materializa mediante un comparador
conectado a continuación, en una de cuyas entradas está aplicada la
tensión de salida del elemento integrador, y en su otra entrada, la
tensión umbral, como se muestra, por ejemplo, en el documento
US-B-62853.10.
Para medir la duración del periodo de la señal
de salida modulada por la duración del impulso, se registra
mediante un contador el tiempo entre dos flancos ascendentes o dos
descendentes de la señal de salida modulada por la duración del
impulso. La resolución en la determinación de la duración del
periodo es aquí función de la frecuencia del ritmo del contador:
Cuanto mayor sea el ritmo del contador, tanto mejor es la resolución
en el tiempo. Por ejemplo si el contador funciona con el ritmo f
del contador, para la mínima modificación \Deltat del tiempo que
se pueda medir, es válido
\Deltat =
1/f
Los convertidores A/D conocidos son naturalmente
tanto más caros cuanto mayor sea su resolución. Además, la
resolución de los convertidores A/D conocidos, está normalmente
predeterminada fija, de manera que normalmente se propone para
empleo, un convertidor A/D adaptado óptimamente al respectivo caso
de aplicación.
En la metrología de procesos, la tendencia va en
la dirección de aparatos de medida de muchos parámetros, o sea,
aparatos de medida que estén en condiciones de medir varias
magnitudes diferentes del proceso, físicas o químicas. En las
magnitudes de procesos se trata, por ejemplo, de la temperatura, la
presión, el estado de carga, el caudal, el valor del pH, la
concentración de iones, la conductividad, etc., de un medio de
medida. La "bondad" de una medición se determina en principio
por la exactitud de la medida y/o por a resolución en el tiempo de
la medición, o sea la frecuencia de la medida. Normalmente estas dos
exigencias son contradictorias: Para una medición de gran precisión
se necesita un tiempo correspondientemente largo; por el contrario
si está limitado el tiempo para una medición, la elevada frecuencia
de medición, va a costa de la exactitud de la medida. La solución
la proporcionan los convertidores A/D que son correspondientemente
rápidos y que al mismo tiempo tienen una alta resolución de bits.
El inconveniente de estos convertidores A/D es que son relativamente
caros, lo que eleva notablemente los costes de fabricación para los
aparatos de medida.
Precisamente con respecto a aparatos de medida
de muchos parámetros, se agrega todavía otro aspecto: En la
metrología de procesos, a la preparación del valor de la medida, que
corresponde en la digitalización, a las señales de medida que
representan las magnitudes individuales del proceso, se imponen
diferentes exigencias con respecto a la exactitud de la medida y
con vistas a la resolución en el tiempo: Como ejemplo se cita la
temperatura, una magnitud de proceso que normalmente varía con
relativa lentitud a lo largo del tiempo, puesto que en el caso
normal no se presentan saltos repentinos ningunos de temperatura. No
obstante se exige precisamente a las mediciones de temperatura por
lo regular una gran precisión de la medida. A este respecto se cita
el control y/o regulación de la temperatura en un proceso químico.
Puesto que la temperatura se modifica con relativa lentitud, para
el registro del valor de temperatura se dispone relativamente de
mucho tiempo.
Completamente diferente aparece, por ejemplo, en
una medición de presión: Aquí es necesario poder detectar también
saltos de presión de aparición repentina. Esto sólo es posible
cuando la duración de la medida es correspondientemente corta; no
obstante, en caso de muchas mediciones de presión, la exactitud de
la medida es de menor importancia. A este respecto es razonable
pues encontrar un compromiso, o una solución flexible que permita
adaptar el registro del valor de la medida a las respectivas
exigencias impuestas con respecto a la exactitud de la medida y con
respecto a la duración de la medida.
La misión de la invención se basa en facilitar
un dispositivo barato para la digitalización de señales de medida
que se pueda adaptar en forma flexible a la respectiva tarea de
medida.
La misión se resuelve mediante un dispositivo
con la estructura siguiente: El convertido analógico/digital
presenta un elemento integrador con un amplificador operacional, con
una resistencia y con una capacidad en el circuito de
realimentación. En la entrada invertible del amplificador
operacional está aplicada una tensión de referencia, y en la
entrada no invertible del amplificador operacional, está aplicada la
tensión de medida o la tensión de entrada. Durante una fase de
carga de una duración predeterminada de tiempo, se carga el
condensador, y durante una fase de descarga, se descarga el
condensador.
Además el convertidor analógico/digital
comprende un comparador conectado a continuación del amplificador
operacional, un elemento de memoria conectado a continuación del
comparador, un generador de tiempo que produce el tiempo de carga y
un contador, detectando el contador los flancos (o la duración del
periodo) de la señal de salida modulada por la duración del
impulso, facilitada por el convertidor A/D en la salida. En el
elemento de memoria, según un acondicionamiento preferente, se
trata de un multivibrador biestable de disposición - reposición.
Por lo demás está previsto un elemento de sincronización que al
menos dentro de una duración predeterminada de medida, sincroniza
los flancos de la señal de salida modulada por la duración del
impulso, con el ciclo del contador.
Como ya se ha dicho antes, sin sincronización de
la señal de salida modulada por la duración del impulso, con el
ciclo del contador, se lleva a cabo la conmutación entre la fase de
carga y la fase de descarga, siempre exactamente al alcanzar la
tensión umbral ajustada o predeterminada, o sea, en el instante en
el que la carga almacenada durante la fase de carga en el
condensador del elemento integrador, está descargada de nuevo. Según
la invención, los flancos de la señal de salida modulada por la
duración del impulso, se sincronizan con el ciclo del contador
mediante un elemento de sincronización. Por ello la conmutación
entre la fase de descarga y la fase de carga, no tiene lugar al
alcanzar la tensión umbral, sino ya en el siguiente ciclo del
contador, o sea, para un valor de la tensión que está situado por
encima de la tensión umbral. Así pues el elemento integrador se
fuerza a que a pesar de llegar a la tensión umbral, continúe
integrando hasta la presentación del siguiente ciclo del contador.
De este modo se produce una carga residual en el condensador del
elemento integrador. Este proceso se repite en cada conversión
subsiguiente. Las cargas residuales se suman hasta que por fin,
después de un cierto número de conversiones, se produce una
variación brusca del valor de contador.
Según un acondicionamiento preferente del
dispositivo según la invención, está previsto un reloj secuenciador
que proporciona un ritmo del sistema, y sincronizando el elemento de
sincronización, el contador, el convertidor analógico/digital y el
generador de tiempo, con el ritmo del sistema. La ventaja de este
acondicionamiento de que todos los ciclos se dirijan por el mismo
ritmo del sistema, se ve en que derivas del ritmo que se pueden
presentar, por ejemplo, a causa de variaciones de temperatura o
durante un largo tiempo de funcionamiento, no tienen ninguna
influencia sobre la calidad de la conversión.
Un perfeccionamiento ventajoso del dispositivo
según la invención, prevé un conmutador analógico que conmuta entre
dos valores diferentes de tensión, la tensión de referencia que se
aplica en la entrada invertible del amplificador operacional. Este
perfeccionamiento tiene la ventaja de que la tensión de referencia
que se aplica en la entrada invertible del amplificador
operacional, se puede ajustar eligiendo libremente, o a voluntad.
Si no se necesita una tensión de referencia de libre elección, se
puede prescindir del conmutador analógico. Por ejemplo, se puede
proporcionar la tensión de salida del elemento de sincronización
como tensión de referencia en la entrada invertible del
amplificador operacional. Si en el elemento de sincronización se
trata -como propone un perfeccionamiento ventajoso de la invención-
de un multivibrador biestable de datos, en esta solución
alternativa la tensión de servicio del multivibrador biestable de
datos, corresponde a la tensión de referencia que se aplica en la
entrada invertible del amplificador operacional. Además, un
acondicionamiento ventajoso del dispositivo según la invención,
propone que el contador presente una entrada
capture-compare. El contador está conectado durante
una duración predeterminada de medida, y detecta los flancos de la
señal de salida modulada por la duración del impulso. En principio
solamente es posible una forma correcta de trabajar, cuando dentro
de la duración elegida de medida, está situado al menos un periodo
de la señal de salida modulada por la duración del impulso. Para
cada flanco detectado de la señal de salida modulada por la duración
del impulso, se produce una interrupción. Además, un
acondicionamiento preferente del dispositivo según la invención,
prevé un microprocesador que determina la tensión de entrada a
partir de los valores del contador producidos por las
interrupciones, en especial mediante una formación del valor medio
de varios valores del contador.
Se ha visto como especialmente ventajoso en
relación con la solución según la invención, que al microprocesador
esté coordinada una unidad de memoria. En la unidad de memoria está
almacenado el número de las interrupciones producidas durante una
duración predeterminada de medida, por los flancos de la señal de
salida modulada por la duración del impulso. El microprocesador
calcula la tensión de entrada tras transcurrir la duración
predeterminada de medida, según la fórmula siguiente:
en donde la variable Z_{1}
corresponde al primer valor del contador, en donde Z representa los
valores siguientes del contador, que se almacenan recubriendo los
datos en la unidad de memoria, en donde I refleja el número de las
interrupciones contadas durante la duración de la medida, t_{1} el
tiempo de carga y U_{H} la tensión de referencia que se aplica al
elemento
integrador.
Como especialmente ventajoso se estima el
acondicionamiento del dispositivo según la invención, de que el
microprocesador reconozca sub y sobretensiones, y genere una señal
correspondiente de error. Una subtensión se puede constatar
fácilmente, por ejemplo, porque dentro de la duración de medida no
se detectan al menos dos flancos de la tensión de salida modulada
por la duración del impulso, o al menos dos interrupciones. Una
sobretensión se hace reconocible porque el tiempo de procesamiento
de las interrupciones es mayor que la duración a medir de los
periodos. Para impedir errores de medida, se tiene que limitar hacia
arriba el número de las interrupciones que se presenten.
Alternativamente está previsto que el
microprocesador se adapte a la duración de la medida, de manera que
se impida la presentación de sub y/o sobretensiones.
La invención se explica en detalle de la mano de
los dibujos siguientes. Se muestran:
Figura 1: Un esquema de bloques del convertidor
A/D según la invención.
Figura 2: Una representación gráfica de las
tensiones caracterizadas en la figura 1, en diferentes componentes
del convertidor A/D según la invención.
Figura 3: Una representación gráfica en la que
está trazada la tensión U_{a} de salida del amplificador
operacional, en función de los valores del contador en el transcurso
de un ciclo de medida, y
Figura 4: Una representación gráfica en la que
están trazados los errores de la medición del tiempo, en función de
los valores medios determinados.
La figura 1 muestra un esquema de bloques del
convertidor 1 A/D según la invención. El convertidor 1
analógico/digital según la invención, se compone de los siguientes
componentes:
- -
- Del elemento 2 integrador compuesto del amplificador OP1 operacional, de la resistencia R y de la capacidad K en el circuito de realimentación.
- -
- Del comparador 3.
- -
- Del elemento 4 de memoria, aquí del multivibrador 4 biestable de disposición - reposición.
- -
- Del elemento 5 de sincronización, aquí del multivibrador 5 biestable de datos.
- -
- Del generador 6 de tiempo.
Según una variante preferente de la invención,
representada en el dibujo, el elemento 5 de sincronización
sincroniza el convertidor 1 analógico/digital, el contador 8 y el
generador 6 de tiempo, con el ritmo T_{S} del sistema. También es
posible -como ya se ha mencionado- que en lugar del ritmo T_{S}
del sistema, se sincronice con el ritmo f del contador.
Opcionalmente está previsto un conmutador 7
analógico. Se puede prescindir de éste cuando no es necesaria una
tensión U_{ref} de referencia libremente elegible. Si no es
necesario que la tensión U_{ref} de referencia sea libremente
elegible, se puede utilizar como tensión U_{ref} de referencia,
por ejemplo, directamente la tensión Q_{2} de salida del elemento
5 de sincronización, o en caso de funcionamiento sin sincronización,
la tensión Q_{1} de salida del elemento 4 de memoria. En este
caso, la tensión de servicio del multivibrador 5 biestable de
datos, o del multivibrador 4 biestable de disposición - reposición,
corresponde pues al mismo tiempo, a la tensión U_{ref} de
referencia que se aplica en la entrada invertible del amplificador
OP1 operacional.
El convertidor 1 A/D presenta tres entradas y
una salida:
- -
- En la primera entrada se aplica la tensión U_{e} de entrada,
- -
- en la segunda entrada se aplica la tensión U_{H} de referencia,
- -
- en la tercera entrada, el ritmo T_{S} del sistema.
En la salida del convertidor 1 A/D se facilita
la señal U_{out} de salida modulada por la duración del impulso,
y que representa la conversión digital de la señal U_{e} analógica
de la medida.
El amplificador OP1 operacional que trabaja como
elemento 2 integrador, -en la fase de carga- se carga durante un
periodo t_{1} predeterminado, por un generador 6 de tiempo. A
continuación se mide el periodo t_{2} de la fase de descarga. El
periodo t_{2} corresponde al tiempo que se necesita hasta que en
la salida del elemento 2 integrador, por causa del condensador C
que se descarga, se mida una cierta tensión U_{a} de salida.
Normalmente esta corresponde a la tensión U_{th} umbral; según la
invención, la conmutación se lleva a cabo mediante la
sincronización con el contador, pero para una tensión que está
situada por encima de la tensión umbral predeterminada. La
evolución temporal de la tensión U_{a}, U_{K}, Q_{1}, Q_{2}
aplicada en los componentes individuales, o la evolución temporal
de la tensión U_{ref}, T_{C} suministrada por los componentes
individuales, está representada por separado en la figura 2.
En el instante t = 0 comienza la llamada fase de
carga. Esta está caracterizada en la figura 2 con (1). En el
instante t = 0, mediante la correspondiente conexión del conmutador
7 analógico, aparece la tensión U_{H} en la entrada invertible
del amplificador OP1 operacional. Cuando la tensión U_{H} de
referencia es mayor que la tensión U_{e} de entrada, la tensión
U_{a} cae linealmente en la salida del amplificador OP1
operacional, partiendo de la tensión U_{th} umbral. La salida del
comparador 3, la salida Q_{1} del multivibrador 4 biestable de
disposición - reposición, la salida Q_{2} del multivibrador 5
biestable de datos que corresponde a la señal U_{out} de salida
pulsada, y la salida del generador 6 de tiempo, se encuentran
durante este tiempo al nivel H_{i} binario. En el instante
t_{1} la tensión U_{a} de salida que aparece en la salida del
elemento 2 integrador, se puede describir del modo siguiente:
Tras transcurrir el periodo situado entre los
instantes t = 0 y t_{1}, el generador 6 de tiempo produce en la
salida T_{C} un breve impulso de reloj sobre el nivel L_{0}
binario. De este modo se produce una señal de reposición en el
multivibrador 4 biestable de disposición - reposición; como
consecuencia de ello la señal Q_{1} de salida y, un ciclo más
tarde, la señal Q_{2} de salida, se ponen en el nivel L_{0}
binario. Además el conmutador 7 analógico conmuta la tensión
U_{ref} de referencia a 0V, y comienza la fase de descarga que en
la figura 2 está caracterizada con (2).
Cuando la tensión 0V de referencia es menor que
la tensión U_{e} de entrada, la tensión U_{a} de salida aumenta
linealmente. En el instante t_{2} la tensión U_{a} alcanza de
nuevo la tensión U_{th} umbral, y conecta el comparador 3. De
este modo, la tensión U_{K} de salida del comparador 3 se pone en
el nivel L_{0} binario; además se pone el multivibrador 4
biestable de disposición - reposición (\rightarrowSET). Q_{1}
está situada en el nivel H_{i} binario, y un ciclo más tarde, la
tensión Q_{2} de salida del multivibrador biestable de datos,
está situada en el nivel H_{i} binario. Q_{2} sirve para la
conmutación de la tensión U_{ref} de referencia y para el disparo
del generador 6 de tiempo. La fase (1) de carga comienza de nuevo.
En el instante T = t_{1} + t_{2} la tensión U_{a} de salida se
puede describir matemáticamente mediante la fórmula siguiente:
\vskip1.000000\baselineskip
Introduciendo U_{a}(t_{1}) de la
fórmula (1), en la fórmula (2), se deduce en el estado estabilizado
del convertidor 1 A/D, la siguiente relación entre la tensión
U_{e} de entrada y la duración T del periodo:
Si la tensión U_{H} de referencia y el tiempo
t_{1} de retardo -retardo t_{1}- predeterminado, son conocidos
y constantes, se deduce la siguiente relación matemática:
En estas condiciones la tensión U_{e} de
entrada es pues indirecta o inversamente proporcional a la duración
T del periodo, siendo T = t_{1} + t_{2}.
Para medir la duración T del periodo, se
registra con el contador 8 el tiempo entre dos flancos ascendentes
o dos flancos descendentes de la señal U_{out} de salida modulada
por la duración del impulso. La resolución de tiempo de la duración
T del periodo, es función aquí muy esencialmente de la frecuencia f
del ritmo del contador 8. Si el contador 8 se acciona con el ritmo
T_{S} del sistema, para la mínima variación \Deltat mensurable
de tiempo, es válida la siguiente relación matemática:
Este límite normal de resolución, se eleva en el
convertidor 1 A/D según la invención.
Sin sincronización al ritmo T_{S} del sistema,
o al ritmo del contador 8, se lleva a cabo la conmutación entre la
fase (2) de descarga y la fase (1) de carga, siempre exactamente al
alcanzar la tensión U_{th} umbral, o sea, en un instante cuando
está descargada de nuevo la carga almacenada en el elemento 2
integrador durante la fase (1) de carga. Según la invención, el
convertidor 1 A/D y el contador 8, se sincronizan con el ritmo
T_{s} del sistema, o con el ritmo f del contador 8.
Gracias a la sincronización del convertidor 1
A/D, del contador 8 y del generador 6 de tiempo, con el ritmo
T_{S} del sistema o con el ritmo f del contador, la conmutación
antes citada no tiene lugar hasta el siguiente ciclo del ritmo
T_{S} del sistema o del ritmo f del contador. La conmutación entre
las dos fases no tiene lugar pues para U_{th}, sino por encima de
U_{th}. De este modo se produce una carga residual en el elemento
2 integrador que se suma con cada conversión, y conduce por fin a un
salto del valor de conteo. Se genera un ciclo de valores de medida
con la resolución del contador 8. Una formación del valor medio de n
valores de medida de este ciclo, eleva la resolución al menos en el
factor n. Cuanto mayor sea el número de los varios promediados de
medida, tanto mejor será también la resolución A. Una duplicación de
los valores promediados de medida, conduce al menos a una
duplicación de la resolución y, por tanto, a una duplicación de la
exactitud de la medida.
En la figura 3 está representada como ejemplo
para un ciclo, la tensión U_{e} en función de los valores del
contador 8. Aquí está representado cómo se modifica la tensión
U_{a} de salida del elemento 2 integrador en función del tiempo
durante un ciclo, en el que transcurren una multitud de fases de
carga y descarga. Para una frecuencia del ciclo de 10 kHz, los
valores del contador tienen una resolución de 10 \mus. Durante el
ciclo el contador 8 produce cuatro veces el valor 130 \mus del
contador, y siete veces el valor 140 \mus del contador. En el
microprocesador 10 se forma el valor medio de los once valores de la
medida, de manera que se obtiene el valor exacto 136,3636 \mus,
aunque la resolución propiamente dicha del contador asciende sólo a
10 \mus.
Como ejemplo en la figura 4 está representada la
ganancia de resolución que se consigue en el dispositivo según la
invención mediante la formación del valor medio. En especial está
esbozado aquí el error en la medición del tiempo respecto al número
n de las mediciones realizadas en un ciclo. Referido al ejemplo
mostrado en la figura 3, el error alcanza el valor cero para una
formación del valor medio de n = 11 mediciones. Claro que sólo se
puede garantizar la curva envolvente 1/n. Teóricamente con la
solución según la invención, se puede lograr una resolución de
cualquier magnitud, cuando la ventana de la medida o la duración de
la medida, se aumente correspondientemente. La exactitud de la
medida va desde luego a costa de la velocidad de medida, no
obstante, esto solamente tiene una importancia secundaria, en cada
caso según el tipo de la aplicación o según el tipo de la medición.
Prácticamente a la resolución se ponen límites, por cierto, mediante
la aparición de ruidos y de faltas de linealidad.
Debido a la relación no lineal, representada en
la fórmula (3), entre la tensión U_{e} de entrada y la duración T
del periodo, la resolución de la tensión medida no es lineal.
Grandes tensiones U_{e} de entrada producen pequeñas duraciones T
del periodo, y tienen menor resolución. Según la invención se
utiliza para la evaluación, de preferencia el algoritmo citado a
continuación:
Se conecta un contador con entrada
capture-compare, para una duración X de la medida
(por ejemplo, X = 4 ms). Las indicaciones del contador para la
interrupciones I producidas por los flancos de la señal U_{out}
modulada por la duración del impulso, se almacenan en la unidad 11
de memoria como sigue. El primer valor del contador se almacena en
una variable Z_{1}; los siguientes recubriendo, en la variable Z.
El número de las interrupciones de establece en una variable I.
Tras transcurrir la duración X de la medida, se puede calcular ahora
la tensión U_{e} como sigue:
\vskip1.000000\baselineskip
Una tensión U_{e} pequeña de entrada que
produzca una duración T del periodo algo menor que X, no se promedia
y se mide con la resolución del contador 8. Una tensión U_{e}
grande de entrada que produzca una duración T del periodo muy
pequeña, se mide con mucha frecuencia y se promedia, elevándose la
resolución por el método antes descrito. Por eso la resolución
mínima la tiene una señal con una duración T = X/2 del periodo. La
resolución A del convertidor 1 A/D se puede describir a
continuación mediante la siguiente fórmula:
\vskip1.000000\baselineskip
Si por ejemplo, la duración de la medida
asciende a X = 4 ms, y el ritmo del sistema T_{S} = 8 MHz, la
resolución A del convertidor 1 A/D según la invención, asciende a A
= 16.000 ó 14 bits.
En el software del microprocesador 10 se
controlan los siguientes errores.
Se reconoce una subtensión cuando no aparece
ningún par de flancos de la señal de salida modulada por la duración
del impulso, o ningún par de interrupciones, durante la duración X
de la medida. Esto es un indicador de que la tensión de la medida,
o la tensión U_{e} de entrada, es demasiado pequeña.
Una sobretensión se puede reconocer porque el
tiempo T_{I} de procesamiento de las interrupciones se hace más
largo que la duración T del periodo, y se llega a un error de
medida. Por consiguiente es necesario limitar el número máximo de
las interrupciones a X/T_{I}.
A continuación se citan todavía una vez más las
ventajas del dispositivo según la invención:
En principio no se introducen en la medición los
siguientes errores:
- -
- Si el generador 6 de tiempo se sincroniza con el ritmo f del contador, la deriva del tiempo t_{1} de carga (por ejemplo, por variaciones de temperatura o por exceso de duración del servicio) no influye el resultado de la medida.
- -
- Si todos los ciclos de los componentes 6, 8, 1 se dirigen por el mismo ritmo T_{s}, las derivas del ritmo T_{s} (por ejemplo, por causa de variaciones de temperatura o por exceso de duración del servicio) no tienen importancia ninguna.
- -
- Asimismo, oscilaciones en la tensión U_{th} umbral y en el elemento RC, no actúan negativamente sobre el resultado de la medida, en tanto que las oscilaciones no aparezcan dentro de un ciclo de medida.
- -
- Además, los tiempos de respuesta del circuito digital, que tienen influencia sobre la duración t_{2} del tiempo de la segunda fase de descarga, no tienen influencia ninguna sobre el resultado de la medida.
Además, mediante la compensación a dos puntos,
se pueden eliminar los siguientes errores:
- -
- Todas las magnitudes desviadoras analógicas en el amplificador OP1 (puesto que aquí, tan sólo una deriva puede producir un error de medida).
- -
- El valor de las resistencias de conexión del conmutador 7 analógico.
- -
- Los tiempos de conmutación que actúan sobre la duración t_{1} del tiempo de la fase de carga.
- -
- El error absoluto de la tensión U_{H} de referencia (también aquí sólo una deriva puede producir un error de medida).
- 1
- Convertidor A/D
- 2
- Elemento integrador
- 3
- Comparador
- 4
- Multivibrador biestable de disposición-reposición / elemento de memoria
- 5
- Multivibrador biestable de datos / elemento de sincronización
- 6
- Generador de tiempo
- 7
- Conmutador analógico
- 8
- Contador
- 9
- Reloj secuenciador
- 10
- Microprocesador
- 11
- Unidad de memoria
- OP1
- Amplificador operacional
- R
- Resistencia
- C
- Condensador
- U_{out}
- Señal de salida modulada por la duración del impulso
- U_{e}
- Tensión de medida
- U_{ref}
- Tensión de referencia
- U_{a}
- Señal de salida del amplificador operacional
- U_{th}
- Tensión umbral
- Q_{1}
- Tensión en el elemento de memoria
- Q_{2}
- Tensión en el elemento de sincronización
Claims (12)
1. Dispositivo para la digitalización de una
tensión (U_{e}) de medida, con un convertidor (1)
analógico/digital que presenta un elemento (2) integrador con un
amplificador (OP1) operacional, con una resistencia (R) y con una
capacidad (C) en el circuito de realimentación, aplicándose en la
entrada invertible del amplificador (OP1) operacional una tensión
(U_{ref}) de referencia, y aplicándose en la entrada no invertible
del amplificador (OP1) operacional, la tensión (Ue) de medida,
cargándose el condensador (C) durante una fase de carga con un
tiempo (t_{1}) de carga, y descargándose durante una fase de
descarga con un tiempo (t_{2}) de descarga, correspondiendo la
suma de tiempo (t_{1}) de carga y tiempo (t_{2}) de descarga a
la duración (T) de un periodo, comprendiendo además el convertidor
(1) analógico/digital un comparador (3) conectado a continuación
del amplificador (OP1) operacional, un elemento (4) de memoria
conectado a continuación del comparador (3), un generador (6) de
tiempo que produce el tiempo (t_{1}) de carga y un contador (8),
aplicándose en la entrada invertible del comparador (3), la tensión
(U_{a}) de salida del elemento (2) integrador, y en la entrada no
invertible del comparador (3), una tensión (U_{th}) umbral,
facilitando el convertidor (1) A/D en su salida, una señal
(U_{out}) de salida modulada por la duración del impulso, con
flancos y con la duración (T = t_{1} + t_{2}) del periodo,
detectando el contador (8) los flancos o la duración (T = t_{1} +
t_{2}) del periodo de la señal (U_{out}) de salida modulada por
la duración del impulso, caracterizado porque la tensión
(U_{ref}) de referencia y el tiempo (t_{1}) de carga, son
constantes, de manera que la tensión (U_{e}) de entrada es
inversamente proporcional a la duración (T) del periodo, y estando
previsto un elemento (5) de sincronización que dentro de una
duración predeterminada de la medida con una multitud de fases de
carga y de descarga, sincroniza los flancos de la señal (U_{out})
de salida modulada por la duración del impulso, con el ritmo del
contador (8), llevándose a cabo una conmutación entre las fases de
carga y descarga mediante la sincronización con el contador (8)
para una tensión (U_{a}) de salida que está situada por encima de
la tensión (U_{th}) umbral, con lo que dentro de la duración
predeterminada de la medida, se genera un ciclo de n valores de la
medida con la resolución del contador (8).
2. Dispositivo según la reivindicación 1, en el
que está previsto un microprocesador que forma el valor medio de
los n valores de medida, con lo que la resolución del convertidor
(1) A/D se eleva al menos en el factor n.
3. Dispositivo según la reivindicación 1, en el
que está previsto un conmutador (7) analógico que conmuta la
tensión (U_{ref}) de referencia que se aplica en la entrada
invertible del amplificador (OP1) operacional, entre dos valores
diferentes de tensión (U_{H}, medida).
4. Dispositivo según la reivindicación 1 ó 3, en
el que como tensión (U_{ref}) de referencia se proporciona en la
entrada invertible del amplificador (OP1) operacional, la tensión
(Q_{2}) que está disponible en la salida del elemento (6) de
sincronización.
5. Dispositivo según la reivindicación 1, en el
que como tensión (U_{ref}) de referencia se proporciona en la
entrada invertible del amplificador (OP1) operacional, la tensión
(Q_{1}) que está disponible en la salida del elemento (4) de
memoria.
6. Dispositivo según la reivindicación 1, en el
que en el elemento (4) de memoria, se trata de un multivibrador
biestable de disposición - reposición.
7. Dispositivo según la reivindicación 1 ó 4, en
el que en el elemento (5) de sincronización, se trata de un
multivibrador biestable de datos.
8. Dispositivo según la reivindicación 1, en el
que el contador (8) presenta una entrada
capture-compare, estando conectado el contador (8)
durante la duración predeterminada de medida, y detectando los
flancos de la señal (U_{out}) de salida modulada por la duración
del impulso, como valores del contador, y estando previsto un
microprocesador que determina la tensión (U_{e}) de entrada a
partir de los valores del contador, en especial mediante la
formación de un valor medio de varios valores del contador.
9. Dispositivo según la reivindicación 1 u 8, en
el que al microprocesador está coordinada una unidad de memoria,
almacenándose en la unidad de memoria el número de las
interrupciones (I) producidas por los flancos de la señal
(U_{out}) de salida modulada por la duración del impulso, y
calculando el microprocesador (9) la tensión (U_{e}) de entrada
tras transcurrir la duración de medida, según la fórmula
siguiente:
en donde la variable Z_{1}
corresponde al primer valor del contador, en donde Z representa los
valores siguientes del contador, que se almacenan recubriendo los
datos en la unidad de memoria, y en donde la magnitud I refleja el
número de las interrupciones contadas durante la duración de la
medida, y representando a, una
constante.
10. Dispositivo según la reivindicación 8 ó 9,
en el que el microprocesador reconoce sub y sobretensiones, y
genera una señal de error.
11. Dispositivo según la reivindicación 10, en
el que el microprocesador se adapta a la duración de la medida, de
manera que se impide la aparición de sub y sobretensiones.
12. Dispositivo según la reivindicación 1 ó 2,
en el que el contador (8) funciona con el ritmo (T_{S}) del
sistema.
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