PL220448B1

PL220448B1 - Sposób i układ do bezzegarowego przetwarzania chwilowej wielkości napięcia elektrycznego na słowo cyfrowe

Info

Publication number: PL220448B1
Application number: PL397952A
Authority: PL
Inventors: Dariusz Kościelnik; Marek Miśkowicz
Original assignee: Akademia Górniczo Hutnicza Im Stanisława Staszica W Krakowie
Priority date: 2012-01-31
Filing date: 2012-01-31
Publication date: 2015-10-30
Also published as: EP2624456A3; US9065466B2; US20130194124A1; EP2624456A2; PL397952A1

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest sposób i układ do bezzegarowego przetwarzania chwilowej wielkości napięcia elektrycznego na słowo cyfrowe, znajdujący zastosowanie w systemach kontrolno-pomiarowych.

Znany z polskiego zgłoszenia patentowego nr P-391420 sposób przetwarzania chwilowej wielkości napięcia elektrycznego na słowo cyfrowe polega na odwzorowaniu tego napięcia proporcjonalną do niego wielkością ładunku elektrycznego. Ładunek ten gromadzi się w kondensatorze próbkującym przez równoległe łączenie kondensatora próbkującego ze źródłem napięcia przetwarzanego na czas trwania aktywnego stanu sygnału wyzwalającego. Po wykryciu końca aktywnego stanu sygnału wyzwalającego zgromadzony ładunek elektryczny poddaje się procesowi redystrybucji, rozmieszczając go w kondensatorach zespołu kondensatorów, przy czym pojemność każdego kondensatora o kolejnym indeksie jest dwukrotnie większa od pojemności kondensatora bezpośrednio go poprzedzającego. W trakcie procesu redystrybucji zgromadzony ładunek elektryczny tak rozmieszcza się w kondensatorach zespołu kondensatorów, aby na każdym z nich, ewentualnie za wyjątkiem jednego, uzyskać napięcie równe zero lub równe napięciu odniesienia. Przebieg procesu redystrybucji nadzoruje się za pomocą modułu sterującego na podstawie sygnałów wyjściowych pierwszego komparatora i drugiego komparatora. Ładunek elektryczny przenosi się pomiędzy kondensatorami w trakcie procesu jego redystrybucji za pomocą źródła prądowego. Bitom słowa cyfrowego, przyporządkowanym kondensatorom zespołu kondensatorów, na których uzyskano napięcie równe napięciu odniesienia przypisuje się za pomocą modułu sterującego wartość jeden, a pozostałym bitom tego słowa przypisuje się wartość zero. W jednym z wariantów tego rozwiązania ładunek elektryczny gromadzi się jednocześnie w kondensatorze próbkującym i łączonym z nim równolegle kondensatorze o największej pojemności w zespole kondensatorów.

Również z opisu polskiego zgłoszenia P-391420 znany jest układ do przetwarzania chwilowej wielkości napięcia elektrycznego na słowo cyfrowe. Układ ten zawiera zespół kondensatorów, którego wejścia sterujące są połączone z zestawem wyjść sterujących modułu sterującego. Moduł sterujący jest wyposażony w wyjście słowa cyfrowego, wyjście zakończenia przetwarzania, wejście wyzwalające oraz dwa wejścia sterujące. Pierwsze wejście sterujące jest połączone z wyjściem pierwszego komparatora, którego wejścia są połączone z jedną parą wyjść zespołu kondensatorów, a drugie wejście sterujące jest połączone z wyjściem drugiego komparatora, którego wejścia są połączone z drugą parą wyjść zespołu kondensatorów. Ponadto do zespołu kondensatorów jest podłączone źródło napięcia przetwarzanego, źródło napięcia pomocniczego, źródło napięcia odniesienia, sterowane źródło prądowe, którego wejście sterujące jest połączone z odpowiednim wyjściem sterującym modułu sterującego oraz kondensator próbkujący.

Zespół kondensatorów zawiera łączniki, przełączniki oraz zestaw kondensatorów, których liczba jest równa liczbie bitów słowa cyfrowego, a pojemność każdego kondensatora o kolejnym indeksie jest dwukrotnie większa od pojemności kondensatora bezpośrednio go poprzedzającego. Górna okładka kondensatora próbkującego i każdego kondensatora zespołu kondensatorów jest łączona z pierwszą szyną, poprzez pierwszy łącznik, i/lub z drugą szyną, poprzez drugi łącznik, a dolna okładka, poprzez przełącznik, jest łączona z masą układu lub ze źródłem napięcia pomocniczego. Pierwsza szyna jest łączona z masą układu poprzez łącznik pierwszej szyny oraz jest połączona z wejściem nieodwracającym drugiego komparatora, którego wejście odwracające jest połączone ze źródłem napięcia odniesienia. Druga szyna jest połączona z wejściem odwracającym pierwszego komparatora, którego wejście nieodwracające jest połączone ze źródłem napięcia pomocniczego.

Wejścia sterujące pierwszych łączników i przełączników zespołu komparatorów są ze sobą sprzężone, odpowiednio, i są połączone, odpowiednio, z wyjściami sterującymi modułu sterującego. Wejścia sterujące drugich łączników oraz łącznika pierwszej szyny są połączone odpowiednio z wyjściami sterującymi modułu sterującego.

Górna okładka kondensatora próbkującego jest łączona ze źródłem napięcia przetwarzanego poprzez łącznik wejściowy, którego wejście sterujące jest połączone z wyjściem sterującym modułu sterującego. Ponadto, biegun źródła prądowego jest połączony z drugą szyną, a drugi biegun źródła prądowego jest połączony z pierwszą szyną.

W jednym z wariantów tego układu kondensator próbkujący o pojemności nie mniejszej od pojemności kondensatora o największej pojemności w zespole kondensatorów, jest łączony równolegle z kondensatorem o największej pojemności w zespole kondensatorów. Przetwarzanie chwilowej wielPL 220 448 B1 kości napięcia elektrycznego na słowo cyfrowe jest realizowane za pomocą modułu sterującego, przez zmiany stanów sygnałów z odpowiednich wyjść sterujących.

Zgodnie z wynalazkiem sposób bezzegarowego przetwarzania chwilowej wielkości napięcia elektrycznego na słowo cyfrowe polega na wykrywaniu za pomocą modułu sterującego początku i końca sygnału wyzwalającego i odwzorowywaniu wielkości napięcia przetwarzanego proporcjonalną do niej wielkością ładunku elektrycznego. Ładunek ten gromadzi się w kondensatorze próbkującym, lub w kondensatorze próbkującym i łączonym z nim równolegle kondensatorze o największej pojemności w zespole redystrybucji, przez łączenie równoległe kondensatora próbkującego lub kondensatora próbkującego i kondensatora o największej pojemności w zespole redystrybucji ze źródłem napięcia przetwarzanego na czas trwania sygnału wyzwalającego. Następnie realizuje się w zespole redystrybucji proces redystrybucji zgromadzonego ładunku elektrycznego, w znany sposób, za pomocą modułu sterującego, przez zmiany stanów sygnałów z odpowiednich wyjść sterujących oraz przypisuje się za pomocą modułu sterującego, odpowiednie wartości bitom słowa cyfrowego. Zespół redystrybucji zawiera zestaw łączników, przełączników i kondensatorów, takich, że pojemność każdego kondensatora o kolejnym indeksie jest dwukrotnie większa od pojemności kondensatora bezpośrednio go poprzedzającego.

Istotą sposobu według wynalazku jest to, że po zakończeniu gromadzenia ładunku elektrycznego w kondensatorze próbkującym, lub w kondensatorze próbkującym i łączonym z nim równolegle kondensatorze o największej pojemności w zespole redystrybucji, oraz wykryciu za pomocą modułu sterującego początku następnego sygnału wyzwalającego, ładunek elektryczny gromadzi się w dodatkowym kondensatorze próbkującym. Następnie realizuje się proces redystrybucji ładunku elektrycznego zgromadzonego w dodatkowym kondensatorze próbkującym oraz przypisuje się za pomocą modułu sterującego odpowiednie wartości bitom słowa cyfrowego. Gromadzenie ładunku elektrycznego w dodatkowym kondensatorze próbkującym, proces redystrybucji ładunku elektrycznego zgromadzonego w dodatkowym kondensatorze próbkującym oraz przypisywanie odpowiednich wartości bitom słowa cyfrowego realizuje się tak, jak dla kondensatora próbkującego.

W sposobie tym możliwe jest to, że po zakończeniu gromadzenia ładunku elektrycznego w dodatkowym kondensatorze próbkującym oraz wykryciu za pomocą modułu sterującego początku kolejnego sygnału wyzwalającego, rozpoczyna się kolejny cykl, a ładunek elektryczny gromadzi się ponownie w kondensatorze próbkującym lub w kondensatorze próbkującym i łączonym z nim równolegle kondensatorze o największej pojemności w zespole redystrybucji.

W sposobie tym możliwe jest to, że w okresie, gdy ładunek elektryczny gromadzi się w dodatkowym kondensatorze próbkującym, to jednocześnie ładunek elektryczny gromadzi się w dodatkowym kondensatorze o największej pojemności w zespole redystrybucji, łączonym równolegle z dodatkowym kondensatorem próbkującym i źródłem napięcia przetwarzanego. Pojemność dodatkowego kondensatora o największej pojemności w zespole redystrybucji jest równa pojemności kondensatora o największej pojemności w zespole redystrybucji.

W sposobie tym możliwe jest również to, że po zakończeniu procesu redystrybucji w ostatnim z kondensatorów, na którym podczas realizowania procesu redystrybucji nie uzyskano napięcia odniesienia, pozostawia się zgromadzony tam ładunek elektryczny. Ładunek ten jest uwzględniany podczas realizowania następnego procesu redystrybucji.

Układ, według wynalazku, zawiera zespół redystrybucji, którego wejścia sterujące są połączone z wyjściami sterującymi modułu sterującego Moduł sterujący jest wyposażony w wyjście słowa cyfrowego, wyjście zakończenia przetwarzania, wejście wyzwalające oraz pierwsze wejście sterujące, połączone z wyjściem pierwszego komparatora i drugie wejście sterujące, połączone z wyjściem drugiego komparatora. Do zespołu redystrybucji jest podłączone źródło napięcia pomocniczego, sekcja kondensatora próbkującego i sterowane źródło prądowe, którego wejście sterujące jest połączone z wyjściem sterującym źródłem prądowym. Pierwszy biegun źródła prądowego jest połączony z szyną źródłową, a drugi biegun źródła prądowego jest połączony z szyną docelową. Zespół redystrybucji zawiera sekcje, których liczba jest równa liczbie bitów słowa cyfrowego. Sekcja kondensatora próbkującego i każda sekcja zespołu redystrybucji zawiera łącznik źródłowy, łącznik docelowy, przełącznik masy i co najmniej jeden kondensator. Górna okładka kondensatora próbkującego i każdego kondensatora zespołu redystrybucji jest łączona z szyną źródłową, poprzez łącznik źródłowy, i/lub z szyną docelową, poprzez łącznik docelowy, a dolna okładka, poprzez przełącznik masy, jest łączona z masą układu lub ze źródłem napięcia pomocniczego. W zespole redystrybucji pojemność każdego kondensatora o kolejnym indeksie jest dwukrotnie większa od pojemności kondensatora bezpośrednio go

PL 220 448 B1 poprzedzającego. Ponadto, górna okładka kondensatora próbkującego jest łączona ze źródłem napięcia przetwarzanego poprzez łącznik wejściowy, którego wejście sterujące jest połączone z wyjściem sterującym łącznikiem wejściowym. Szyna docelowa jest łączona z masą układu poprzez łącznik szyny docelowej oraz jest połączona z wejściem nieodwracającym drugiego komparatora, którego wejście odwracające jest połączone ze źródłem napięcia odniesienia. Szyna źródłowa jest połączona z wejściem odwracającym pierwszego komparatora, którego wejście nieodwracające jest połączone ze źródłem napięcia pomocniczego. Wejścia sterujące łączników źródłowych oraz łącznika szyny docelowej są połączone, odpowiednio, z wyjściami sterującymi modułu sterującego. Wejścia sterujące łączników docelowych i przełączników masy są ze sobą sprzężone, odpowiednio, i są połączone, odpowiednio, z wyjściami sterującymi modułu sterującego.

Istotną nowością układu jest to, że sekcja kondensatora próbkującego zawiera dodatkowy kondensator próbkujący oraz przełączniki górnych okładek i przełączniki dolnych okładek. Górne okładki kondensatora próbkującego i dodatkowego kondensatora próbkującego są łączone poprzez przełączniki górnych okładek z łącznikiem źródłowym i łącznikiem docelowym lub z łącznikiem wejściowym. Dolne okładki kondensatora próbkującego i dodatkowego kondensatora próbkującego są łączone poprzez przełączniki dolnych okładek z przełącznikiem masy lub z masą układu. Wejścia sterujące przełączników górnych okładek oraz przełączników dolnych okładek są ze sobą sprzężone i są połączone z wyjściem sterującym przełącznikami okładek.

Korzystne jest, jeżeli co najmniej jedna sekcja zespołu redystrybucji zawiera dodatkowy kondensator oraz przełączniki górnych okładek i przełączniki dolnych okładek. Górne okładki kondensatora i dodatkowego kondensatora takiej sekcji są łączone poprzez przełączniki górnych okładek z łącznikiem źródłowym i łącznikiem docelowym lub łącznikiem wejściowym. Dolne okładki kondensatora i dodatkowego kondensatorów takiej sekcji są łączone poprzez przełączniki dolnych okładek z przełącznikiem masy lub z masą układu. Wejścia sterujące przełączników górnych okładek i przełączników dolnych okładek są ze sobą sprzężone i są połączone z wyjściem sterującym przełącznikami okładek.

Korzystne jest, jeżeli pojemności kondensatora próbkującego i dodatkowego kondensatora próbkującego są nie mniejsze od pojemności kondensatora o największej pojemności w zespole redystrybucji.

Korzystne jest także, jeżeli dodatkowy kondensator zespołu redystrybucji ma pojemność równą, odpowiednio, pojemności kondensatora zespołu redystrybucji.

Zastosowanie dodatkowego kondensatora próbkującego umożliwia wykonywanie dwóch kolejnych faz próbkowania napięcia przetwarzanego bez konieczności wprowadzania pomiędzy nie przerwy służącej do realizowania procesu redystrybucji zgromadzonego ładunku elektrycznego oraz fazy relaksacji. Gromadzenie w dodatkowym kondensatorze próbkującym porcji ładunku elektrycznego odwzorowującej wielkość drugiej z przetwarzanych próbek jest wykonywane równocześnie z realizowaniem procesu redystrybucji porcji ładunku zgromadzonej w kondensatorze próbkującym i reprezentującej pierwszą próbkę. Dzięki temu wyniki każdego z pomiarów są podawane z minimalnym opóźnieniem, równym czasowi realizowania procesu redystrybucji. Ponadto, wykonywanie czynności związanych z przetwarzaniem obu próbek napięcia przez ten sam moduł sterujący, zespół redystrybucji oraz zestaw komparatorów i źródło prądowe przyczynia się do zredukowania ilości energii pobieranej przez układ w przeliczeniu na pojedynczy proces przetwarzania, podnosząc jego sprawność energetyczną.

Rozpoczynanie nowej fazy próbkowania napięcia przetwarzanego po każdym zakończeniu aktualnej fazy próbkowania umożliwia osiągnięcie maksymalnej częstotliwości pobierania i przetwarzania szeregu próbek za pomocą jednego układu. Unika się bowiem konieczności wprowadzania pomiędzy kolejne fazy próbkowania przerw potrzebnych do realizowania procesów redystrybucji zgromadzonych porcji ładunku elektrycznego oraz faz relaksacji.

Zastosowanie dodatkowego kondensatora o największej pojemności w zespole redystrybucji umożliwia dwukrotne zmniejszenie wymaganej pojemności dodatkowego kondensatora próbkującego i tym samym istotne ograniczenie powierzchni zajmowanej przez przetwornik wykonany w postaci monolitycznego układu scalonego. Dzięki równoległemu łączeniu dodatkowego kondensatora próbującego z dodatkowym kondensatorem o największej pojemności w zespole redystrybucji maksymalna wielkość napięcia pojawiającego się na dodatkowym kondensatorze próbkującym o zredukowanej pojemności nie ulega zwiększeniu. Ponadto, czas realizowania procesu redystrybucji ładunku elektrycznego zgromadzonego w dodatkowym kondensatorze próbkującym i łączonym z nim równolegle

PL 220 448 B1 dodatkowym kondensatorze o największej pojemności w zespole redystrybucji jest krótszy o co najmniej 25%.

Zaletą jest także pozostawianie w układzie tej części ładunku elektrycznego, która nie została uwzględniona w wartości wygenerowanego słowa cyfrowego. Uwzględnienie jej podczas procesu redystrybucji następnej porcji zgromadzonego ładunku elektrycznego powoduje, iż wartość średnia otrzymanych wyników reprezentuje, z dokładnością do błędu kwantyzacji, wartość średnią wielkości pobranych próbek.

Przedmiot wynalazku jest objaśniony w przykładach wykonania na rysunku, na którym przedstawiono układ w różnych etapach procesu przetwarzania, a zatem różnych stanach łączników i przełączników:

Fig. 1 - schemat układu w stanie relaksacji, przed rozpoczęciem pierwszego procesu prz etwarzania

Fig. 2 - schemat układu podczas gromadzenia ładunku w kondensatorze próbkującym Cn

Fig. 3 - przykładowa sekwencja sygnałów wyzwalających

Fig. 4 - przykładowa sekwencja sygnałów wyzwalających, występujących bezpośrednio po sobie

Fig. 5 - schemat układu w chwili rozpoczęcia redystrybucji ładunku zgromadzonego w kondensatorze próbkującym Cn

Fig. 6 - schemat układu w chwili rozpoczęcia redystrybucji ładunku zgromadzonego w kondensatorze próbkującym Cn i jednoczesnego gromadzenia ładunku w dodatkowym kondensatorze próbkującym CnA

Fig. 7 - schemat układu podczas przenoszenia ładunku z kolejnego kondensatora źródłowego Ci do kondensatora docelowego Ck i jednoczesnego gromadzenia ładunku w dodatkowym kondensatorze próbkującym CnA

Fig. 8 - schemat innej wersji układu w stanie relaksacji przed rozpoczęciem pierwszego procesu przetwarzania

Fig. 9 - schemat innej wersji układu podczas gromadzenia ładunku w kondensatorze próbkującym Cn i łączonym z nim równolegle kondensatorze Cn-1.

Zgodnie z wynalazkiem sposób bezzegarowego przetwarzania chwilowej wielkości napięcia elektrycznego na słowo cyfrowe polega na wykrywaniu za pomocą modułu sterującego CM początku i końca sygnału wyzwalającego Px i odwzorowywaniu wielkości napięcia przetwarzanego UIN proporcjonalną do niej wielkością ładunku elektrycznego. Ładunek ten gromadzi się w kondensatorze próbkującym Cn przez łączenie równoległe kondensatora próbkującego Cp ze źródłem napięcia przetwarzanego UIN na czas trwania sygnału wyzwalającego Px. Następnie realizuje się w zespole redystrybucji A proces redystrybucji zgromadzonego ładunku elektrycznego, za pomocą modułu sterującego CM, przez zmiany stanów sygnałów z odpowiednich wyjść sterujących oraz przypisuje się za pomocą modułu sterującego CM odpowiednie wartości bitom b_n-1, b_n-2, bi, b₀ słowa cyfrowego. Zespół redystrybucji A zawiera zestaw łączników, przełączników i kondensatorów, takich, że pojemność każdego kondensatora o kolejnym indeksie jest dwukrotnie większa od pojemności kondensatora bezpośrednio go poprzedzającego.

Po zakończeniu gromadzenia ładunku elektrycznego w kondensatorze próbkującym Cn oraz wykryciu za pomocą modułu sterującego CM początku następnego sygnału wyzwalającego Px+1, ładunek elektryczny gromadzi się w dodatkowym kondensatorze próbkującym CnA. Następnie realizuje się proces redystrybucji ładunku elektrycznego zgromadzonego w dodatkowym kondensatorze próbkującym CnA oraz przypisuje się za pomocą modułu sterującego CM odpowiednie wartości bitom bn-1, bn-2, ., b1, b0 słowa cyfrowego. Gromadzenie ładunku elektrycznego w dodatkowym kondensatorze próbkującym CnA, proces redystrybucji ładunku elektrycznego zgromadzonego w dodatkowym kondensatorze próbkującym CnA oraz przypisywanie odpowiednich wartości bitom bn-1, bn-2, ., b1, b0 słowa cyfrowego realizuje się tak, jak dla kondensatora próbkującego Cn.

Inne przykładowe rozwiązanie charakteryzuje się tym, że po zakończeniu gromadzenia ładunku elektrycznego w dodatkowym kondensatorze próbkującym CnA oraz wykryciu za pomocą modułu sterującego CM początku kolejnego sygnału wyzwalającego Px+2, rozpoczyna się kolejny cykl, a ładunek elektryczny gromadzi się ponownie w kondensatorze próbkującym Cn.

Inne przykładowe rozwiązanie charakteryzuje się tym, że podczas trwania następnego sygnału wyzwalającego Px+1, gdy ładunek elektryczny gromadzi się w dodatkowym kondensatorze próbkującym CnA, to w tym przykładzie, jednocześnie ładunek elektryczny gromadzi się w dodatkowym kondensatorze Cn-1A o największej pojemności w zespole redystrybucji, łączonym równolegle z dodat6

PL 220 448 B1 kowym kondensatorem próbkującym CnA i źródłem napięcia przetwarzanego UIN. Pojemność dodatkowego kondensatora Cn-1A o największej pojemności w zespole redystrybucji jest równa pojemności kondensatora Cn-1 o największej pojemności w zespole redystrybucji.

Inne przykładowe rozwiązanie charakteryzuje się tym, że po zakończeniu procesu redystrybucji w ostatnim z kondensatorów, na którym podczas realizowania procesu redystrybucji nie uzyskano napięcia odniesienia UL, pozostawia się zgromadzony tam ładunek elektryczny.

Szczegółowo, w przykładowym rozwiązaniu, powołany proces redystrybucji przebiega w niżej opisany sposób. Po zakończeniu gromadzenia ładunku elektrycznego w kondensatorze próbkującym Cn, kondensatorowi próbkującemu Cn przypisuje się, za pomocą modułu sterującego CM, funkcję kondensatora źródłowego Ci, którego indeks jest określany zawartością rejestru indeksu źródłowego, wpisując do tego rejestru wartość indeksu kondensatora próbkującego Cn, a jednocześnie kondensatorowi Cn-1 o największej pojemności w zespole redystrybucji przypisuje się funkcję kondensatora docelowego Ck, którego indeks jest określany zawartością rejestru indeksu docelowego, wpisując do tego rejestru wartość indeksu kondensatora Cn-1 o największej pojemności w zespole redystrybucji. Następnie realizuje się proces redystrybucji zgromadzonego ładunku elektrycznego przenosząc ładunek z kondensatora źródłowego Ci do kondensatora docelowego Ck za pomocą źródła prądowego J. Równocześnie, za pomocą drugiego komparatora K2, porównuje się napięcie Uk narastające na kondensatorze docelowym z napięciem odniesienia UL oraz kontroluje się, za pomocą pierwszego komparatora K1, napięcie Ui na kondensatorze źródłowym. Gdy w trakcie przenoszenia ładunku napięcie Ui na kondensatorze źródłowym, kontrolowane za pomocą pierwszego komparatora K1, jest równe zero, wówczas, na podstawie sygnału wyjściowego pierwszego komparatora K1, za pomocą modułu sterującego CM, aktualnemu kondensatorowi docelowemu Ck przypisuje się funkcję kondensatora źródłowego Ci wpisując do rejestru indeksu źródłowego aktualną zawartość rejestru indeksu docelowego, a funkcję kondensatora docelowego Ck przypisuje się kolejnemu kondensatorowi zespołu redystrybucji A, o pojemności dwukrotnie mniejszej od pojemności kondensatora, który pełnił tę funkcję bezpośrednio wcześniej, zmniejszając o jeden zawartość rejestru indeksu docelowego i kontynuuje się przenoszenie ładunku za pomocą źródła prądowego J z nowego kondensatora źródłowego Ci do nowego kondensatora docelowego Ck. Gdy natomiast w trakcie przenoszenia ładunku z kondensatora źródłowego Ci do kondensatora docelowego Ck, porównywane równocześnie za pomocą drugiego komparatora K2, napięcie Ck na kondensatorze docelowym jest równe napięciu odniesienia UL, wówczas na podstawie sygnału wyjściowego drugiego komparatora K2 funkcję kondensatora docelowego Ck przypisuje się, za pomocą modułu sterującego CM, kolejnemu kondensatorowi zespołu redystrybucji A, o pojemności dwukrotnie mniejszej od pojemności kondensatora, który pełnił tę funkcję bezpośrednio wcześniej, zmniejszając o jeden zawartość rejestru indeksu docelowego i kontynuuje się przenoszenie ładunku z kondensatora źródłowego Ci do nowego kondensatora docelowego Ck. Proces redystrybucji nadzoruje się za pomocą modułu sterującego CM na podstawie sygnałów wyjściowych pierwszego komparatora K1 i drugiego komparatora K2 aż do momentu, gdy podczas pełnienia funkcji kondensatora docelowego Ck przez kondensator C0 o najmniejszej pojemności w zespole redystrybucji, kontrolowane równocześnie za pomocą pierwszego komparatora K1, napięcie Ui na aktualnym kondensatorze źródłowym jest równe zero albo porównywane równocześnie za pomocą drugiego komparatora K2 napięcie U0, narastające na kondensatorze o najmniejszej pojemności w zespole redystrybucji, jest równe napięciu odniesienia UL. Bitom słowa cyfrowego, przyporządkowanym kondensatorom zespołu redystrybucji, na których uzyskano napięcie o wartości napięcia odniesienia UL przypisuje się, za pomocą modułu sterującego CM, wartość jeden, zaś pozostałym bitom słowa cyfrowego przypisuje się wartość zero.

Zgodnie z wynalazkiem układ do bezzegarowego przetwarzania chwilowej wielkości napięcia elektrycznego na słowo cyfrowe zawiera zespół redystrybucji A, którego wejścia sterujące są połączone z wyjściami sterującymi modułu sterującego CM. Moduł sterujący CM jest wyposażony w wyjście słowa cyfrowego B, wyjście zakończenia przetwarzania OutR, wejście wyzwalające InS oraz pierwsze wejście sterujące In1, połączone z wyjściem pierwszego komparatora K1 i drugie wejście sterujące In2, połączone z wyjściem drugiego komparatora K2. Do zespołu redystrybucji A jest podłączone źródło napięcia pomocniczego UH, sekcja kondensatora próbkującego An i sterowane źródło prądowe J. Wejście sterujące źródła prądowego J jest połączone z wyjściem sterującym źródłem prądowym AJ. Pierwszy biegun źródła prądowego J jest połączony z szyną źródłową H, a drugi biegun źródła prądowego J jest połączony z szyną docelową L. Zespół redystrybucji zawiera sekcje, których liczba n jest równa liczbie bitów słowa cyfrowego. Sekcja kondensatora próbkującego An i sekcje zespołu redystryPL 220 448 B1 bucji A zawierają łączniki źródłowe S_Hn; S_Hn-i, S_Hn-2, S_H1, S_H0, łączniki docelowe S_Ln; S_Ln-i, S_Ln-2,

S_L1, S₀, przełączniki masy S_Gn; S_Gn-1, S_Gn-2, S_G1, S_G0, i kondensatory C_n; C_n-1, C_n-2, C₁, C₀. Górne okładki kondensatorów Cn-i, Cn-2, ., Ci, C0 zespołu redystrybucji są połączone z szyną źródłową H, poprzez łączniki źródłowe SHn-1, SHn-2, ., SH1, SH0 i z szyną docelową L, poprzez łączniki docelowe SLn-1, SLn-2, ., SL1, S0, a dolne okładki tych kondensatorów, poprzez przełączniki masy SGn-1, SGn-2, ., SG1, SG0, są połączone z masą układu oraz ze źródłem napięcia pomocniczego UH. W zespole redystrybucji A pojemność każdego kondensatora Cn-1, Cn-2, ., C1, C0 o kolejnym indeksie jest dwukrotnie większa od pojemności kondensatora bezpośrednio go poprzedzającego. Pojemność kondensatora próbkującego Cn jest dwukrotnie większa od pojemności kondensatora Cn-1 o największej pojemności w zespole redystrybucji. Każdemu kondensatorowi Cn-1, Cn-2, ., C1, C0 zespołu redystrybucji jest przyporządkowany, odpowiednio, bit, bn-1, bn-2, ., b1, b0 słowa cyfrowego. Szyna docelowa L jest połączona z masą układu poprzez łącznik szyny docelowej SGall oraz z wejściem nieodwracającym drugiego komparatora K2, którego wejście odwracające jest połączone ze źródłem napięcia odniesienia UL. Szyna źródłowa H jest połączona z wejściem odwracającym pierwszego komparatora K1, którego wejście nieodwracające jest połączone ze źródłem napięcia pomocniczego UH. Wejścia sterujące łączników źródłowych SHn; SHn-1, SHn-2, ., SH1, SH0 oraz łącznika szyny docelowej SGall są połączone, odpowiednio, z wyjściami sterującymi Dn; Dn-1, Dn-2, ., D1, D0; Dall. Wejścia sterujące łączników docelowych SLn; SLn-1, SLn-2, ., SL1, S0 i przełączników masy SGn; SGn-1, SGn-2, ., SG1, SG0 są ze sobą sprzężone, odpowiednio, i są połączone, odpowiednio, z wyjściami sterującymi In; In-1, In-2, ., I1, I0.

Sekcja kondensatora próbkującego An zawiera ponadto dodatkowy kondensator próbkujący CnA, przełączniki górnych okładek STn, STnA i przełączniki dolnych okładek SBn, SBnA oraz łącznik wejściowy SU, którego wejście sterujące jest połączone z wyjściem sterującym łącznikiem wejściowym AU. Pojemność dodatkowego kondensatora próbkującego CnA jest równa pojemności kondensatora próbkującego Cn. Górne okładki kondensatora próbkującego Cn i dodatkowego kondensatora próbkującego CnA są połączone, poprzez przełączniki górnych okładek STn, STnA z łącznikiem źródłowym SHn i łącznikiem docelowym SLn oraz z łącznikiem wejściowym SU. Dolne okładki kondensatora próbkującego Cn i dodatkowego kondensatora próbkującego CnA są połączone, poprzez przełączniki dolnych okładek SBn, SBnA z przełącznikiem masy SGn oraz z masą układu. Wejścia sterujące przełączników górnych okładek STn, STnA oraz przełączników dolnych okładek SBn, SBnA są ze sobą sprzężone i są połączone z wyjściem sterującym przełącznikami okładek AC. Łącznik źródłowy SHn jest połączony z szyną źródłową H, łącznik docelowy SLn jest połączony z szyną docelową L, łącznik wejściowy SU jest połączony ze źródłem napięcia przetwarzanego UIN, a przełącznik masy SGn jest połączony z masą układu oraz ze źródłem napięcia pomocniczego UH.

W innym przykładowym rozwiązaniu sekcja kondensatora Cn-1 o największej pojemności w zespole redystrybucji zawiera dodatkowy kondensator Cn-1A o największej pojemności w zespole redystrybucji oraz przełączniki górnych okładek STn-1, STn-1A i przełączniki dolnych okładek SBn-1, SBn-1A. Dodatkowy kondensator Cn-1A o największej pojemności w zespole redystrybucji ma pojemność równą pojemności kondensatora Cn-1 o największej pojemności w zespole redystrybucji. Górne okładki kondensatora Cn-1 o największej pojemności w zespole redystrybucji i dodatkowego kondensatora Cn-1A o największej pojemności w zespole redystrybucji są połączone, poprzez przełączniki górnych okładek STn-1, STn-1A, z łącznikiem źródłowym SHn-1 i łącznikiem docelowym SLn-1 oraz z łącznikiem wejściowym SU. Dolne okładki kondensatora Cn-1 o największej pojemności w zespole redystrybucji i dodatkowego kondensatora Cn-1A o największej pojemności w zespole redystrybucji są połączone, poprzez przełączniki dolnych okładek SBn-1, SBn-1A z przełącznikiem masy SGn-1 oraz z masą układu. Wejścia sterujące przełączników górnych okładek STn-1, STn-1A i przełączników dolnych okładek SBn-1, SBn-1A, są ze sobą sprzężone i są połączone z wyjściem sterującym przełącznikami okładek AC.

Sposób przetwarzania chwilowej wielkości napięcia elektrycznego na słowo cyfrowe realizowany, według wynalazku, w pierwszym przykładowym układzie jest następujący. Przed rozpoczęciem pierwszego procesu przetwarzania chwilowej wielkości napięcia elektrycznego na słowo cyfrowe o liczbie bitów równej n moduł sterujący CM wprowadza wyjście zakończenia przetwarzania OutR w stan nieaktywny. Przy pomocy sygnału z wyjścia sterującego łącznikiem wejściowym AU moduł sterujący CM powoduje otwarcie łącznika wejściowego SU i odłączenie źródła napięcia przetwarzanego UIN od przełączników górnych okładek STn, STnA, zaś przy pomocy sygnału z wyjścia sterującego źródłem prądowym AJ powoduje w/łączenie źródła prądowego J. Przy pomocy sygnału z wyjścia sterującego przełącznikami okładek AC moduł sterujący CM powoduje przełączenie przełączników górnych okładek STn, STnA oraz przełączników dolnych okładek SBn, SBnA i połączenie górnej okładki kondensa8

PL 220 448 B1 tora próbkującego Cn z łącznikiem źródłowym SHn i łącznikiem docelowym SLn, połączenie górnej okładki dodatkowego kondensatora próbkującego CnA z łącznikiem wejściowym SU, połączenie dolnej okładki kondensatora próbkującego Cn z przełącznikiem masy SGn, oraz połączenie dolnej okładki dodatkowego kondensatora próbkującego CnA z masą układu. Następnie moduł sterujący CM wprowadza układ w stan relaksacji pokazany na fig. 1. W tym celu moduł sterujący CM, przy pomocy sygnałów z wyjść sterujących D_n-1, D_n-2, ..., D₁, D₀, powoduje otwarcie łączników źródłowych S_Hn-1, S_Hn-2, ..., S_H1, S_H0. Przy pomocy sygnałów z wyjść sterujących I_n; I_n-1, I_n-2, .,I₁, I₀ moduł sterujący CM powoduje zamknięcie łączników docelowych SLn; SLn-1, SLn-2, ., SL1, S0 i połączenie górnych okładek kondensatora próbkującego Cn i wszystkich kondensatorów Cn-1, Cn-2, ., C1, C0 zespołu redystrybucji z szyną docelową L oraz przełączenie przełączników masy SGn; SGn-1, SGn-2, ., SG1, SG0 i połączenie dolnych okładek kondensatora próbkującego Cn i wszystkich kondensatorów Cn-1, Cn-2, ., C1, C0 zespołu redystrybucji z masą układu. Przy pomocy sygnału z wyjścia sterującego Dall moduł sterujący CM powoduje zamknięcie łącznika szyny docelowej SGall i połączenie szyny docelowej L z masą układu, wymuszając całkowite rozładowanie kondensatora próbkującego Cn i wszystkich kondensatorów Cn-1, Cn-2, ., C1, C0 zespołu redystrybucji. Jednocześnie, moduł sterujący CM powoduje przy pomocy sygnału z wyjścia sterującego Dn, zamknięcie łącznika źródłowego SHn i połączenie szyny źródłowej H z szyną docelową L i z masą układu, uniemożliwiając pojawienie się na szynie źródłowej H potencjału o przypadkowej wielkości.

W chwili wykrycia przez moduł sterujący CM początku sygnału wyzwalającego Px, podanego na wejście wyzwalającego InS, moduł sterujący CM wprowadza układ w stan pokazany na fig. 2. W tym celu moduł sterujący CM powoduje, przy pomocy sygnału z wyjścia sterującego przełącznikami okładek AC, przełączenie przełączników górnych okładek STn, STnA oraz przełączników dolnych okładek SBn, SBnA i połączenie górnej okładki kondensatora próbkującego Cn z łącznikiem wejściowym SU, połączenie górnej okładki dodatkowego kondensatora próbkującego CnA z łącznikiem źródłowym SHn i łącznikiem docelowym SLn, połączenie dolnej okładki kondensatora próbkującego Cn z masą układu oraz połączenie dolnej okładki dodatkowego kondensatora próbkującego CnA z przełącznikiem masy SGn, wymuszając całkowite rozładowanie dodatkowego kondensatora próbkującego CnA. Następnie moduł sterujący CM powoduje, przy pomocy sygnału z wyjścia sterującego łącznikiem wejściowym AU, zamknięcie łącznika wejściowego SU i połączenie źródła napięcia przetwarzanego UIN z przełącznikami górnych okładek STn, STnA. Ładunek elektryczny jest gromadzony w kondensatorze próbkującym Cn, który jako jedyny, jest wówczas połączony równolegle ze źródłem napięcia przetwarzanego UIN poprzez przełącznik górnej okładki STn i łącznik wejściowy SU oraz poprzez przełącznik dolnej okładki SBn i masę układu

W chwili wykrycia przez moduł sterujący CM końca sygnału wyzwalającego Px, podanego na wejście wyzwalające InS, moduł sterujący CM powoduje, przy pomocy sygnału z wyjścia sterującego Dall, otwarcie łącznika szyny docelowej SGall i odłączenie szyny docelowej L od masy układu. Przy pomocy sygnałów z wyjść sterujących In; In-2, ., I1, I0 moduł sterujący CM powoduje otwarcie łączników docelowych SLn, SLn-2, ., SL1, S0 i odłączenie górnych okładek dodatkowego kondensatora próbkującego CnA i kondensatorów Cn-2, ., C1, C0 zespołu redystrybucji od szyny docelowej L oraz przełączenie przełączników masy SGn; SGn-2, ., SG1, SG0 i połączenie dolnych okładek dodatkowego kondensatora próbkującego CnA i kondensatorów Cn-2, ., C1, C0 zespołu redystrybucji ze źródłem napięcia pomocniczego UH. Przy pomocy sygnału z wyjścia sterującego przełącznikami okładek AC moduł sterujący CM powoduje przełączenie przełączników górnych okładek STn, STnA oraz przełączników dolnych okładek SBn, SBnA i połączenie górnej okładki kondensatora próbkującego Cn z łącznikiem źródłowym SHn i łącznikiem docelowym SLn, połączenie górnej okładki dodatkowego kondensatora próbkującego CnA z łącznikiem wejściowym SU, połączenie dolnej okładki kondensatora próbkującego Cn z przełącznikiem masy SGn oraz połączenie dolnej okładki dodatkowego kondensatora próbkującego CnA z masą układu.

W przypadku pokazanym na fig. 3, gdy wykryty przez moduł sterujący CM koniec sygnału wyzwalającego Px nie wyznacza jednocześnie początku następnego sygnału wyzwalającego Px+1, moduł sterujący CM powoduje, przy pomocy sygnału z wyjścia sterującego łącznikiem wejściowym AU, otwarcie łącznika wejściowego SU i odłączenie źródła napięcia przetwarzanego UIN od przełączników górnych okładek STn, STnA. Opisany powyżej stan układu pokazano na fig. 5. W chwili wykrycia przez moduł sterujący CM początku następnego sygnału wyzwalającego Px+1, podanego na wejście wyzwalające InS, moduł sterujący CM powoduje, przy pomocy sygnału z wyjścia sterującego łącznikiem wejściowym AU, ponowne zamknięcie łącznika wejściowego SU i połączenie źródła napięcia przetwaPL 220 448 B1 rzanego UIN z przełącznikami górnych okładek STn, STnA. Ładunek elektryczny jest gromadzony w dodatkowym kondensatorze próbkującym CnA, który, jako jedyny, jest wówczas połączony ze źródłem napięcia przetwarzanego UIN poprzez przełącznik górnej okładki STnA i łącznik wejściowy SU oraz poprzez przełącznik dolnej okładki SBnA i masę układu

W przypadku pokazanym na fig. 4, gdy wykryty przez moduł sterujący CM koniec sygnału wyzwalającego Px wyznacza jednocześnie początek następnego sygnału wyzwalającego Px+1, ładunek elektryczny jest gromadzony w dodatkowym kondensatorze próbkującym CnA, który, jako jedyny, jest wówczas połączony ze źródłem napięcia przetwarzanego UIN poprzez przełącznik górnej okładki STnA i łącznik wejściowy SU oraz poprzez przełącznik dolnej okładki SBnA i masę układu. Opisany powyżej stan układu pokazano na fig. 6.

W obu przypadkach moduł sterujący CM wprowadza wyjście zakończenia przetwarzania OutR w stan nieaktywny oraz przypisuje wszystkim bitom b_n-1, b_n-2, ·, b₁, b₀ słowa cyfrowego wartość początkową zero. Następnie moduł sterujący CM przypisuje funkcję kondensatora źródłowego Ci kondensatorowi próbkującemu Cn przez wpisanie do rejestru indeksu źródłowego wartości indeksu kondensatora próbkującego. Jednocześnie moduł sterujący CM przypisuje funkcję kondensatora docelowego Ck kondensatorowi Cn-1 o największej pojemności w zespole redystrybucji przez wpisanie do rejestru indeksu docelowego wartości indeksu kondensatora o największej pojemności w zespole redystrybucji. Następnie moduł sterujący CM rozpoczyna realizowanie procesu redystrybucji zgromadzonego ładunku elektrycznego. W tym celu moduł sterujący CM powoduje, przy pomocy sygnału z wyjścia sterującego źródłem prądowym AJ, włączenie źródła prądowego J. Ładunek elektryczny zgromadzony w kondensatorze źródłowym Ci jest przenoszony za pomocą źródła prądowego J poprzez szynę źródłową H i szynę docelową L do kondensatora docelowego Ck, przy czym w trakcie przenoszenia ładunku napięcie Ui na kondensatorze źródłowym stopniowo maleje i jednocześnie napięcie Uk na kondensatorze docelowym stopniowo rośnie.

W przypadku, gdy podczas przenoszenia ładunku elektrycznego napięcie Uk na aktualnym kondensatorze docelowym osiągnie wielkość napięcia odniesienia UL, wówczas, na podstawie sygnału wyjściowego drugiego komparatora K2, moduł sterujący CM przypisuje odpowiedniemu bitowi bk słowa cyfrowego wartość jeden. Przy pomocy sygnału z wyjścia sterującego Ik moduł sterujący CM powoduje otwarcie łącznika docelowego SLk i odłączenie górnej okładki kondensatora docelowego Ck od szyny docelowej L oraz równoczesne przełączenie przełącznika masy SGk i połączenie dolnej okładki kondensatora docelowego Ck ze źródłem napięcia pomocniczego UH. Następnie moduł sterujący CM przypisuje funkcję kondensatora docelowego Ck następnemu w kolejności kondensatorowi zespołu redystrybucji A o pojemności dwukrotnie mniejszej od pojemności kondensatora, który pełnił tę funkcję bezpośrednio wcześniej, przez zmniejszenie o jeden zawartości rejestru indeksu docelowego. Przy pomocy sygnału z wyjścia sterującego Ik moduł sterujący CM powoduje zamknięcie łącznika docelowego SLk i połączenie górnej okładki nowego kondensatora docelowego Ck z szyną docelową L oraz równoczesne przełączenie przełącznika masy SGk i połączenie dolnej okładki kondensatora docelowego Ck z masą układu.

W przypadku, gdy podczas przenoszenia ładunku elektrycznego napięcie Ui na kondensatorze źródłowym osiągnie wartość zero, wówczas, na podstawie sygnału wyjściowego pierwszego komparatora K1, moduł sterujący CM, przy pomocy sygnału z wyjścia sterującego Di, powoduje otwarcie łącznika źródłowego SHi i odłączenie górnej okładki kondensatora źródłowego Ci od szyny źródłowej H. Przy pomocy sygnału z wyjścia sterującego Ik moduł sterujący CM powoduje otwarcie łącznika docelowego SLk i odłączenie górnej okładki kondensatora docelowego Ck od szyny docelowej L oraz równoczesne przełączenie przełącznika masy SGk i połączenie dolnej okładki kondensatora docelowego Ck ze źródłem napięcia pomocniczego UH. Następnie moduł sterujący CM przypisuje funkcję kondensatora źródłowego Ci kondensatorowi, który do tej pory pełnił funkcję kondensatora docelowego Ck przez wpisanie aktualnej zawartości rejestru indeksu docelowego do rejestru indeksu źródłowego. Przy pomocy sygnału z wyjścia sterującego Di moduł sterujący CM powoduje zamknięcie łącznika źródłowego SHi i połączenie górnej okładki nowego kondensatora źródłowego Ci z szyną źródłową H. Następnie moduł sterujący CM zmniejsza o jeden zawartość rejestru indeksu docelowego i przypisuje funkcję kondensatora docelowego Ck kolejnemu kondensatorowi zespołu redystrybucji A o pojemności dwukrotnie mniejszej od pojemności kondensatora, który pełnił tę funkcję bezpośrednio wcześniej. Przy pomocy sygnału z wyjścia sterującego Ik moduł sterujący CM powoduje zamknięcie łącznika docelowego SLk i połączenie górnej okładki nowego kondensatora docelowego Ck z szyną docelową L oraz

PL 220 448 B1 równoczesne przełączenie przełącznika masy SGk i połączenie dolnej okładki nowego kondensatora docelowego Ck z masą układu. Opisany powyżej stan układu pokazano na fig. 7.

W obu przypadkach moduł sterujący CM kontynuuje proces redystrybucji ładunku elektrycznego na podstawie sygnałów wyjściowych pierwszego komparatora K1 i drugiego komparatora K2. Każde pojawienie się stanu aktywnego na wyjściu drugiego komparatora K2 powoduje przypisanie funkcji kondensatora docelowego Ck następnemu w kolejności kondensatorowi zespołu redystrybucji A o pojemności dwukrotnie mniejszej od pojemności kondensatora, który pełnił tę funkcję bezpośrednio wcześniej. Każde pojawienie się stanu aktywnego na wyjściu pierwszego komparatora K1 powoduje przypisanie funkcji kondensatora źródłowego Ci kondensatorowi zespołu redystrybucji A, który aktualnie pełnił funkcję kondensatora docelowego Ck i jednocześnie przypisanie funkcji kondensatora docelowego Ck następnemu w kolejności kondensatorowi zespołu redystrybucji A o pojemności dwukrotnie mniejszej od pojemności kondensatora pełniącego tę funkcję bezpośrednio wcześniej. Proces redystrybucji ładunku zostaje zakończony w chwili, gdy funkcję kondensatora docelowego Ck przestaje pełnić kondensator C0 o najmniejszej pojemności w zespole redystrybucji. Sytuacja taka występuje, gdy podczas przenoszenia ładunku do kondensatora C0 o najmniejszej pojemności w zespole redystrybucji na wyjściu pierwszego komparatora K1 albo na wyjściu drugiego komparatora K2 pojawia się stan aktywny. Gdy stan aktywny pojawia się na wyjściu drugiego komparatora K2, moduł sterujący CM przypisuje bitowi b0 wartości jeden.

Po zakończeniu procesu redystrybucji ładunku elektrycznego zgromadzonego w kondensatorze próbkującym C_n oraz przypisaniu odpowiednich wartości bitom b_n-1, b_n-2, b₁, b₀ słowa cyfrowego, moduł sterujący CM wprowadza wyjście zakończenia przetwarzania OutR w stan aktywny. Przy pomocy sygnału z wyjścia sterującego źródłem prądowym AJ moduł sterujący CM powoduje wyłączenie źródła prądowego J. Następnie moduł sterujący CM wprowadza układ w stan relaksacji.

Po wykryciu przez moduł sterujący CM końca następnego sygnału wyzwalającego Px+1, podanego na wejście wyzwalające InS, moduł sterujący CM, przy pomocy sygnału z wyjścia sterującego Dall, powoduje otwarcie łącznika szyny docelowej SGall i odłączenie szyny docelowej L od masy układu. Przy pomocy sygnałów z wyjść sterujących In; In-1, In-2, , I1, I0 moduł sterujący CM powoduje otwarcie łączników docelowych SLn; SLn-2, , SL1, S0 i odłączenie górnych okładek kondensatora próbkującego Cn i kondensatorów Cn-2,..., Ci, C0 zespołu redystrybucji od szyny docelowej L oraz przełączenie przełączników masy SGn; SGn-2, , SG1, SG0 i połączenie dolnych okładek kondensatora próbkującego Cn i kondensatorów Cn-2, , C1, C0 zespołu redystrybucji ze źródłem napięcia pomocniczego UH. Przy pomocy sygnału z wyjścia sterującego przełącznikami okładek AC moduł sterujący CM powoduje przełączenie przełączników górnych okładek STn, STnA oraz przełączników dolnych okładek SBn, SBnA i połączenie górnej okładki kondensatora próbkującego Cn z łącznikiem wejściowym SU, połączenie górnej okładki dodatkowego kondensatora próbkującego CnA z łącznikiem źródłowym SHn i łącznikiem docelowym SLn, połączenie dolnej okładki kondensatora próbkującego Cn z masą układu oraz połączenie dolnej okładki dodatkowego kondensatora próbkującego CnA z przełącznikiem masy SGn.

W przypadku pokazanym na fig. 3, gdy wykryty przez moduł sterujący CM koniec następnego sygnału wyzwalającego Px+1 nie wyznacza jednocześnie początku kolejnego sygnału wyzwalającego Px+2, moduł sterujący CM powoduje, przy pomocy sygnału z wyjścia sterującego łącznikiem wejściowym AU, otwarcie łącznika wejściowego SU i odłączenie źródła napięcia przetwarzanego UIN od przełączników górnych okładek STn, STnA. W chwili wykrycia przez moduł sterujący CM początku kolejnego sygnału wyzwalającego Px+2 podanego na wejście wyzwalające InS, moduł sterujący CM powoduje, przy pomocy sygnału z wyjścia sterującego łącznikiem wejściowym AU, ponowne zamknięcie łącznika wejściowego SU i połączenie źródła napięcia przetwarzanego UIN z przełącznikami górnych okładek STn, STnA. Ładunek elektryczny jest gromadzony w kondensatorze próbkującym Cn, który, jako jedyny, jest wówczas połączony ze źródłem napięcia przetwarzanego UIN poprzez przełącznik górnej okładki STn i łącznik wejściowy SU oraz poprzez przełącznik dolnej okładki SBn i masę układu.

W przypadku pokazanym na fig. 4, gdy wykryty przez moduł sterujący CM koniec następnego sygnału wyzwalającego Px+1 wyznacza jednocześnie początek kolejnego sygnału wyzwalającego Px+2, ładunek elektryczny jest gromadzony w kondensatorze próbkującym Cn, który, jako jedyny, jest wówczas połączony ze źródłem napięcia przetwarzanego UIN poprzez przełącznik górnej okładki STn i łącznik wejściowy SU oraz poprzez przełącznik dolnej okładki SBn i masę układu.

W obu przypadkach moduł sterujący CM wprowadza wyjście zakończenia przetwarzania OutR w stan nieaktywny oraz przypisuje wszystkim bitom bn-1, bn-2, , b1, b0 słowa cyfrowego wartość początkową zero. Następnie moduł sterujący CM przypisuje funkcję kondensatora źródłowego Ci dodatPL 220 448 B1 kowemu kondensatorowi próbkującemu CnA przez wpisanie do rejestru indeksu źródłowego wartości indeksu kondensatora próbkującego Cn. Jednocześnie, moduł sterujący CM przypisuje funkcję kondensatora docelowego Ck kondensatorowi Cn-1 o największej pojemności w zespole redystrybucji przez wpisanie do rejestru indeksu docelowego wartości indeksu kondensatora Cn-1 o największej pojemności w zespole redystrybucji. Następnie moduł sterujący CM powoduje, przy pomocy sygnału z wyjścia sterującego źródłem prądowym AJ, włączenie źródła prądowego J i rozpoczyna realizowanie procesu redystrybucji ładunku elektrycznego zgromadzonego w dodatkowym kondensatorze próbkującym CnA. Proces ten dobiega końca w chwili, gdy funkcję kondensatora docelowego Ck przestaje pełnić kondensator C0 o najmniejszej pojemności w zespole redystrybucji.

Po zakończeniu procesu redystrybucji ładunku elektrycznego zgromadzonego w dodatkowym kondensatorze próbkującym CnA oraz przypisaniu odpowiednich wartości bitom bn-1, bn-2, ., b1, b0 słowa cyfrowego moduł sterujący CM wprowadza wyjście zakończenia przetwarzania OutR w stan aktywny. Przy pomocy sygnału z wyjścia sterującego źródłem prądowym AJ moduł sterujący CM powoduje wyłączenie źródła prądowego J. Następnie moduł sterujący CM wprowadza układ w stan relaksacji.

Sposób przetwarzania chwilowej wielkości napięcia elektrycznego na słowo cyfrowe realizowany, według wynalazku, w drugim przykładowym układzie jest następujący. Przed rozpoczęciem pierwszego procesu przetwarzania chwilowej wielkości napięcia elektrycznego na słowo cyfrowe o liczbie bitów równej n moduł sterujący CM powoduje dodatkowo, przy pomocy sygnału z wyjścia sterującego przełącznikami okładek AC, przełączenie przełączników górnych okładek STn-1, STn-1A oraz przełączników dolnych okładek SBn-1, SBn-1A i połączenie górnej okładki kondensatora Cn-1 o największej pojemności w zespole redystrybucji z łącznikiem źródłowym SHn-1 i łącznikiem docelowym SLn-1, połączenie górnej okładki dodatkowego kondensatora Cn-1A o największej pojemności w zespole redystrybucji z łącznikiem wejściowym SU, połączenie dolnej okładki kondensatora Cn-1 o największej pojemności w zespole redystrybucji z przełącznikiem masy SGn-1 oraz połączenie dolnej okładki dodatkowego kondensatora Cn-1A o największej pojemności w zespole redystrybucji z masą układu. Opisany powyżej stan układu pokazano na fig. 8.

W chwili wykrycia przez moduł sterujący CM początku sygnału wyzwalającego Px, podanego na wejście wyzwalające InS, moduł sterujący CM powoduje dodatkowo, przy pomocy sygnału z wyjścia sterującego przełącznikami okładek AC, przełączenie przełączników górnych okładek STn-1, STn-1A oraz przełączników dolnych okładek SBn-1, SBn-1A i połączenie górnej okładki kondensatora Cn-1 o największej pojemności w zespole redystrybucji z łącznikiem wejściowym SU, połączenie górnej okładki dodatkowego kondensatora Cn-1A o największej pojemności w zespole redystrybucji z łącznikiem źródłowym SHn-1 i łącznikiem docelowym SLn-1, połączenie dolnej okładki kondensatora Cn-1 o największej pojemności w zespole redystrybucji z masą układu oraz połączenie dolnej okładki dodatkowego kondensatora Cn-1A o największej pojemności w zespole redystrybucji z przełącznikiem masy SGn-1, wymuszając całkowite rozładowanie dodatkowego kondensatora Cn-1A o największej pojemności w zespole redystrybucji. Ładunek elektryczny jest gromadzony jednocześnie w kondensatorze próbkującym Cn oraz łączonym z nim równolegle kondensatorze Cn-1 o największej pojemności w zespole redystrybucji, które, jako jedyne, są wówczas połączone ze źródłem napięcia przetwarzanego UIN poprzez przełączniki górnych okładek STn, STn-1 i łącznik wejściowy SU oraz poprzez przełączniki dolnych okładek SBn, SBn-1 i masę układu. Opisany powyżej stan układu pokazano na fig. 9.

Po wykryciu przez moduł sterujący CM końca sygnału wyzwalającego Px podanego na wejście wyzwalające InS, moduł sterujący CM powoduje dodatkowo, przy pomocy sygnału z wyjścia sterującego przełącznikami okładek AC, przełączenie przełączników górnych okładek STn-1, STn-1A oraz przełączników dolnych okładek SBn-1, SBn-1A i połączenie górnej okładki kondensatora Cn-1 o największej pojemności w zespole redystrybucji z łącznikiem źródłowym SHn-1 i łącznikiem docelowym SLn-1, połączenie górnej okładki dodatkowego kondensatora Cn-1A o największej pojemności w zespole redystrybucji z łącznikiem wejściowym SU, połączenie dolnej okładki kondensatora Cn-1 o największej pojemności w zespole redystrybucji z przełącznikiem masy SGn oraz połączenie dolnej okładki dodatkowego kondensatora Cn-1A o największej pojemności w zespole redystrybucji z masą układu.

Po wykryciu przez moduł sterujący CM początku następnego sygnału wyzwalającego Px+1, podanego na wejście wyzwalające InS, ładunek elektryczny jest gromadzony jednocześnie w dodatkowym kondensatorze próbkującym CnA oraz łączonym z nim równolegle dodatkowym kondensatorze Cn-1A o największej pojemności w zespole redystrybucji, które, jako jedyne, są wówczas połączone

PL 220 448 B1 ze źródłem napięcia przetwarzanego UIN poprzez przełączniki górnych okładek STnA, STn-1A i łącznik wejściowy SU oraz poprzez przełączniki dolnych okładek SBnA, SBn-1A i masę układu.

Po wykryciu przez moduł sterujący CM końca następnego sygnału wyzwalającego Px+1, podanego na wejście wyzwalające InS, moduł sterujący CM powoduje dodatkowo, przy pomocy sygnału z wyjścia sterującego przełącznikami okładek AC, przełączenie przełączników górnych okładek STn-1, STn-1A oraz przełączników dolnych okładek SBn-1, SBn-1A i połączenie górnej okładki kondensatora Cn-1 o największej pojemności w zespole redystrybucji z łącznikiem wejściowym SU, połączenie górnej okładki dodatkowego kondensatora Cn-1A o największej pojemności w zespole redystrybucji z łącznikiem źródłowym SHn-1 i łącznikiem docelowym SLn-1, połączenie dolnej okładki kondensatora Cn-1 o największej pojemności w zespole redystrybucji z masą układu oraz połączenie dolnej okładki dodatkowego kondensatora Cn-1A o największej pojemności w zespole redystrybucji z przełącznikiem masy SGn-1.

Inny sposób przetwarzania chwilowej wielkości napięcia elektrycznego na słowo cyfrowe realizowany, według wynalazku, w przykładowym układzie różni się od poprzednich tym, że po każdym zakończeniu procesu redystrybucji zgromadzonego ładunku elektrycznego moduł sterujący CM pozostawia w ostatnim z kondensatorów, na którym podczas realizowania procesu redystrybucji nie uzyskano napięcia odniesienia UL, zgromadzony tam ładunek elektryczny.

W przypadku, gdy moduł sterujący CM podczas realizowania procesu redystrybucji przypisał bitowi b0 wartość zero, moduł sterujący CM, wprowadzając układ w stan relaksacji powoduje, przy pomocy sygnału z wyjścia sterującego l0, otwarcie łącznika docelowego SL0 i odłączenie górnej okładki kondensatora C0 o najmniejszej pojemności w zespole redystrybucji od szyny docelowej L oraz przełączenie przełącznika masy SG0 i połączenie dolnej okładki kondensatora C0 o najmniejszej pojemności w zespole redystrybucji ze źródłem napięcia pomocniczego UH.

W przypadku, gdy moduł sterujący CM podczas realizowania procesu redystrybucji przypisał bitowi b0 wartość jeden, moduł sterujący CM, wprowadzając układ w stan relaksacji powoduje, przy pomocy sygnału z wyjścia sterującego Ii otwarcie łącznika docelowego SLi i odłączenie górnej okładki kondensatora źródłowego Ci od szyny docelowej L oraz przełączenie przełącznika masy SGi i połączenie dolnej okładki kondensatora źródłowego Ci ze źródłem napięcia pomocniczego UH.

Wykaz oznaczeń

A zespół redystrybucji

An sekcja kondensatora próbkującego

CM moduł sterujący

K1 pierwszy komparator

K2 drugi komparator

J źródło prądowe

UH napięcie pomocnicze

UL napięcie odniesienia

UIN napięcie przetwarzane

InS wejście wyzwalające

In1 pierwsze wejście sterujące

In2 drugie wejście sterujące

B wyjście słowa cyfrowego

OutR wyjście zakończenia przetwarzania

H szyna źródłowa

L szyna docelowa

Cn kondensator próbkujący

C_n-i, C_n-2, ·, Ci, C₀ kondensatory zespołu redystrybucji

Cn-1 kondensator o największej pojemności w zespole redystrybucji C0 kondensator o najmniejszej pojemności w zespole redystrybucji CnA dodatkowy kondensator próbkujący

Cn-iA dodatkowy kondensator o największej pojemności w zespole redystrybucji Ci kondensator źródłowy

Ck kondensator docelowy

Un-i, Un-2, , Ui, U0 napięcie na kondensatorach zespołu redystrybucji

PL 220 448 B1

Ui napięcie na kondensatorze źródłowym Uk napięcie na kondensatorze docelowym

bn-1, bn-2, , bi,	, bk,	, b1, b0 bity słowa cyfrowego
SHn, SHn-1, SHn-2,	, SHi,	, SHk, , SH1, SH0 łączniki źródłowe
SLn, SLn-1, SLn-2,	, SLi,	, SLk, , SL1, S0 łączniki docelowe
SGn, SGn-1, SGn-2,	, SGi,	, SGk, , SG1, SG0 przełączniki masy

STn, STn-1, STnA, STn-1A przełączniki górnych okładek SBn, SBn-1, SBnA; SBn-1A przełączniki dolnych okładek SGall łącznik szyny docelowej

Su łącznik wejściowy

Ac wyjście sterujące przełącznikami okładek

AJ wyjście sterujące źródłem prądowym

AU wyjście sterujące łącznikiem wejściowego

Px sygnał wyzwalający

Px+1 następny sygnał wyzwalający

Px+2 kolejny sygnał wyzwalający

In; In-1, In-2, , Ii, , Ik, , I1, I0 wyjścia sterujące

Dn; Dn-1, Dn-2, , Di, , Dk, , D1, D0; Dall wyjścia sterujące.

Claims

1. Sposób bezzegarowego przetwarzania chwilowej wielkości napięcia elektrycznego na słowo cyfrowe, polegający na wykrywaniu za pomocą modułu sterującego początku i końca sygnału wyzwalającego i odwzorowywaniu wielkości napięcia przetwarzanego proporcjonalną do niej wielkością ładunku elektrycznego, który gromadzi się w kondensatorze próbkującym, lub w kondensatorze próbkującym i łączonym z nim równolegle kondensatorze o największej pojemności w zespole redystrybucji, przez łączenie równoległe, na czas trwania sygnału wyzwalającego, kondensatora próbkującego, lub kondensatora próbkującego i kondensatora o największej pojemności w zespole redystrybucji, ze źródłem napięcia przetwarzanego, a następnie realizowaniu w zespole redystrybucji procesu redystrybucji zgromadzonego ładunku elektrycznego, w znany sposób, za pomocą modułu sterującego, przez zmiany stanów sygnałów z odpowiednich wyjść sterujących, przy czym zespół redystrybucji zawiera zestaw łączników, przełączników i kondensatorów, takich, że pojemność każdego kondensatora o kolejnym indeksie jest dwukrotnie większa od pojemności kondensatora bezpośrednio go poprzedzającego oraz przypisaniu za pomocą modułu sterującego, odpowiednich wartości bitom słowa cyfrowego, znamienny tym, że po zakończeniu gromadzenia ładunku elektrycznego w kondensatorze próbkującym (Cn), lub w kondensatorze próbkującym (Cn) i łączonym z nim równolegle kondensatorze (Cn-1) o największej pojemności w zespole redystrybucji, oraz wykryciu za pomocą modułu sterującego (CM) początku następnego sygnału wyzwalającego (Px+1), ładunek elektryczny gromadzi się w dodatkowym kondensatorze próbkującym (CnA), a następnie realizuje się proces redystrybucji ładunku elektrycznego zgromadzonego w dodatkowym kondensatorze próbkującym (CnA) oraz przypisuje się, za pomocą modułu sterującego (CM), odpowiednie wartości bitom (bn-1, bn-2, , b1, b0) słowa cyfrowego, przy czym gromadzenie ładunku elektrycznego w dodatkowym kondensatorze próbkującym (CnA), proces redystrybucji ładunku elektrycznego zgromadzonego w dodatkowym kondensatorze próbkującym (CnA) oraz przypisywanie odpowiednich wartości bitom (bn-1, bn-2, , b1, b0) słowa cyfrowego realizuje się tak, jak dla kondensatora próbkującego (Cn).

2. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że po zakończeniu gromadzenia ładunku elektrycznego w dodatkowym kondensatorze próbkującym CnA oraz wykryciu za pomocą modułu sterującego (CM) początku kolejnego sygnału wyzwalającego (Px+2), rozpoczyna się kolejny cykl, a ładunek elektryczny gromadzi się ponownie w kondensatorze próbkującym (Cn) lub w kondensatorze próbkującym (Cn) i łączonym z nim równolegle kondensatorze (Cn-1) o największej pojemności w zespole redystrybucji.

3. Sposób według zastrz. 1 i 2, znamienny tym, że gdy ładunek elektryczny gromadzi się w dodatkowym kondensatorze próbkującym (CnA), to jednocześnie ładunek elektryczny gromadzi się w dodatkowym kondensatorze (Cn-1A) o największej pojemności w zespole redystrybucji, łączonym równolegle z dodatkowym kondensatorem próbkującym (CnA) i źródłem napięcia przetwarzanego (UIN),

PL 220 448 B1 przy czym pojemność dodatkowego kondensatora (Cn-1A) o największej pojemności w zespole redystrybucji jest równa pojemności kondensatora (Cn-1) o największej pojemności w zespole redystrybucji.

4. Sposób według zastrz. 1, 2 i 3, znamienny tym, że po zakończeniu procesu redystrybucji w ostatnim z kondensatorów, na którym podczas realizowania procesu redystrybucji nie uzyskano napięcia odniesienia (UL), pozostawia się zgromadzony tam ładunek elektryczny.

5. Układ do bezzegarowego przetwarzania chwilowej wielkości napięcia elektrycznego na słowo cyfrowe, zawierający zespół redystrybucji, którego wejścia sterujące są połączone z wyjściami sterującymi modułu sterującego, a moduł sterujący jest wyposażony w wyjście słowa cyfrowego, wyjście zakończenia przetwarzania, wejście wyzwalające oraz pierwsze wejście sterujące, połączone z wyjściem pierwszego komparatora i drugie wejście sterujące, połączone z wyjściem drugiego komparatora, zaś do zespołu redystrybucji jest podłączone źródło napięcia pomocniczego, sekcja kondensatora próbkującego i sterowane źródło prądowe, którego wejście sterujące jest połączone z wyjściem sterującym źródłem prądowym, natomiast pierwszy biegun źródła prądowego jest połączony z szyną źródłową, a drugi biegun źródła prądowego jest połączony z szyną docelową, przy czym zespół redystrybucji zawiera sekcje, których liczba jest równa liczbie bitów słowa cyfrowego, a sekcja kondensatora próbkującego i każda sekcja zespołu redystrybucji zawiera łącznik źródłowy, łącznik docelowy, przełącznik masy i co najmniej jeden kondensator, którego górna okładka jest łączona z szyną źródłową, poprzez łącznik źródłowy, i/lub z szyną docelową, poprzez łącznik docelowy, a dolna okładka, poprzez przełącznik masy, jest łączona z masą układu lub ze źródłem napięcia pomocniczego, przy czym w zespole redystrybucji pojemność każdego kondensatora o kolejnym indeksie jest dwukrotnie większa od pojemności kondensatora bezpośrednio go poprzedzającego, a ponadto górna okładka kondensatora próbkującego jest łączona ze źródłem napięcia przetwarzanego poprzez łącznik wejściowy, którego wejście sterujące jest połączone z wyjściem sterującym łącznikiem wejściowym, szyna docelowa jest łączona z masą układu poprzez łącznik szyny docelowej oraz jest połączona z wejściem nieodwracającym drugiego komparatora, którego wejście odwracające jest połączone ze źródłem napięcia odniesienia, zaś szyna źródłowa jest połączona z wejściem odwracającym pierwszego komparatora, którego wejście nieodwracające jest połączone ze źródłem napięcia pomocniczego, natomiast wejścia sterujące łączników źródłowych oraz łącznika szyny docelowej są połączone, odpowiednio, z wyjściami sterującymi modułu sterującego, a wejścia sterujące łączników docelowych i przełączników masy są ze sobą sprzężone, odpowiednio, i połączone, odpowiednio, z wyjściami sterującymi modułu sterującego, znamienny tym, że sekcja kondensatora próbkującego (An) zawiera dodatkowy kondensator próbkujący (CnA) oraz przełączniki górnych okładek (STn, STnA) i prze-łączniki dolnych okładek (SBn, SBnA), przy czym górne okładki kondensatora próbkującego (Cn) i dodatkowego kondensatora próbkującego (Cn-1) są łączone poprzez przełączniki górnych okładek (STn, STnA) z łącznikiem źródłowym (SHn) i łącznikiem docelowym (SLn) lub z łącznikiem wejściowym (SU), natomiast dolne okładki kondensatora próbkującego (Cn) i dodatkowego kondensatora próbkującego (CnA) są łączone poprzez przełączniki dolnych okładek (SBn, SBnA) z przełącznikiem masy (SGn) lub z masą układu, zaś wejścia sterujące przełączników górnych okładek (STn, STnA) oraz przełączników dolnych okładek (SBn, SBnA) są ze sobą sprzężone i są połączone z wyjściem sterującym przełącznikami okładek (AC).

6. Układ według zastrz. 5, znamienny tym, że co najmniej jedna sekcja zespołu redystrybucji (A) zawiera dodatkowy kondensator (C_n-1A, C_n-2A, C_1A, C_0A) oraz przełączniki górnych okładek (S_Tn-1, S_Tn-2,

Sti, Sto; STn-iA, STn-2A, ·, Stia, Stoa) i przełączniki dolnych okładek (S_Bn-i, SBn-2, Sbi, Sbo; S_Bn-iA,

SBn-2, ., SBiA, SB0A), przy czym górne okładki kondensatorów (Cn-i, Cn-2, ., Ci, C0) i dodatkowych kondensatorów (Cn-iA, Cn-2A, ., CiA, C0) są łączone, odpowiednio, poprzez przełączniki górnych okładek (STn-i, STn-2, ., STi, ST0; STn-iA, STn-2A, ., STiA, ST0A) z łącznikami źródłowymi (SHn-i, SHn-2, ., SHi, SH0) i łącznikami docelowymi (SLn-i, SLn-2, ., SLi, S0) lub łącznikiem wejściowym (SU), natomiast dolne okładki kondensatorów (Cn-i, Cn-2, ., Ci, C0) i dodatkowych kondensatorów (Cn-iA, Cn-2A, ., CiA, C0A) są łączone, odpowiednio, poprzez przełączniki dolnych okładek (SBn-i, SBn-2, ., SBi, SB0; SBn-iA, SBn-2A, ., SBiA, SB0A) z przełącznikami masy (SGn-i, SGn-2, ., SGi, SG0) lub z masą układu, zaś wejścia sterujące przełączników górnych okładek (STn-i, STn-2, ., STi, ST0; STn-iA, STn-2A, ., STiA, ST0A) i przełączników dolnych okładek (SBn-i, SBn-2, ., SBi, SB0; SBn-iA, SBn-2, ., SBiA, SB0A) są ze sobą sprzężone i są połączone z wyjściem sterującym przełącznikami okładek (AC).

7. Układ według zastrz. 6, znamienny tym, że pojemności kondensatora próbkującego (Cn) i dodatkowego kondensatora próbkującego (CnA) są nie mniejsze od pojemności kondensatora (Cn-i) o największej pojemności w zespole redystrybucji.

PL 220 448 B1

8. Układ według zastrz. 6, znamienny tym, że dodatkowy kondensator (Cn-1A, Cn-2A, ., C1A, C0A) zespołu redystrybucji ma pojemność równą, odpowiednio, pojemności kondensatora (Cn-1, Cn-2, ., C1, C0) zespołu redystrybucji.