PL227454B1 - Sposób pośredniego przetwarzania chwilowej wielkości napięcia elektrycznego na słowo cyfrowe - Google Patents

Abstract

Sposób pośredniego przetwarzania chwilowej wielkości napięcia elektrycznego na słowo cyfrowe charakteryzuje się tym, że wielkość próbki napięcia przetwarzanego odwzorowuje się długością generowanego interwału czasu. Długość tę wyraża się z kolei wartością różnicy długości odcinka czasu referencyjnego i odcinka czasu sygnałowego. Odcinek czasu referencyjnego odmierza się od chwili rozpoczęcia generowania interwału czasu, a odcinek czasu sygnałowego odmierza się od chwili zakończenia generowania interwału czasu. Odmierzanie obu odcinków czasu kończy się w tym samym momencie.

Description

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

Z publikacji: G. Smarandoiu. K. Fukahori, P. R Gray, D. A. Hodges „An All-MOS Analog-toDigital Converter Using a Constant Slope Approach”, IEEE Journal of Solid-State Circuits, Volume: 11.

Issue: 3, 1976. str. 408 * 410 znany jest sposób pośredniego przetwarzania wielkości napięcia elektrycznego na słowo cyfrowe. Napięcie przetwarzane jest wpierw próbkowane. Ładunek zgromadzony w kondensatorze próbkującym jest następnie usuwany za pomocą źródła prądowego o stałej wydajności. Czas rozładowywania kondensatora jest zatem proporcjonalny do wielkości próbki napięcia przetwarzanego. Pomiaru długości tego czasu dokonuje się poprzez zliczanie impulsów wygenerowanych w trakcie rozładowywania kondensatora próbkującego przez generator referencyjny.

Znany z opisu patentowego PL 220 542 (publikacja zgłoszenia międzynarodowego WO 20111/152745 sposób pośredniego 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 tego kondensatora ze źródłem napięcia przetwarzanego na czas trwania aktywnego stanu sygnału wyzwalającego. Następnie ilość zgromadzonego ładunku elektrycznego wyraża się w postaci słowa cyfrowego. W tym celu cały ładunek jest przenoszony z kondensatora próbkującego do matrycy kondensatorów o binarnym stosunku ich pojemności. W każdym z kroków tej fazy mniejszy, docelowy kondensator jest napełniany ładunkiem pobieranym z kondensatora większego, źródłowego. Jeżeli uda się całkowicie naładować kondensator docelowy, a zatem uzyskać między jego okładkami napięcie równe napięciu referencyjnemu, to zgromadzony w nim ładunek jest już tam pozostawiany. W przeciwnym przypadku częściowo naładowany kondensator staje się źródłowym, a zgromadzony w nim ładunek jest dzielony na jeszcze mniejsze porcje poprzez przeniesienie go do kondensatorów o mniejszych pojemnościach. Aby umożliwić przenoszenie ładunku pomiędzy dwoma kondensatorami, dolna okładka kondensatora źródłowego jest łączona ze źródłem napięcia pomocniczego, o wartości odpowiednio większej od wartości napięcia referencyjnego. W tym samym czasie dolna okładka kondensatora docelowego jest łączona z masą układu. Utrzymywana w ten sposób różnica potencjałów między górnymi okładkami obu kondensatorów umożliwia poprawną pracę źródła prądowego przenoszącego ładunek. W wyjściowym słowie cyfrowym każdemu całkowicie naładowanemu kondensatorowi jest przypisywany bit o wartości 1, a pozostałe kondensatory są reprezentowane przez bity o wartości 0.

Zgodnie z wynalazkiem sposób pośredniego przetwarzania chwilowej wielkości napięcia elektrycznego na słowo cyfrowe, polega na spróbkowaniu wielkości napięcia przetwarzanego poprzez równoległe połączenie kondensatora próbkującego ze źródłem napięcia przetwarzanego, a następnie odwzorowywaniu wielkości próbki napięcia przetwarzanego długością generowanego interwału czasu oraz przypisaniu za pomocą modułu sterującego odpowiedniej wartości n-bitowemu wyjściowemu słowu cyfrowemu.

Istotą rozwiązania jest to, że interwał czasu odwzorowuje się w postaci różnicy długości odcinka czasu referencyjnego i odcinka czasu sygnałowego. Odcinek czasu referencyjnego odmierza się od chwili rozpoczęcia generowania interwału czasu za pomocą modułu sterującego, a odcinek czasu sygnałowego odmierza się od chwili zakończenia generowania interwału czasu za pomocą modułu sterującego. Odmierzanie obu odcinków czasu kończy się w tym samym momencie.

Korzystne jest, gdy generowanie interwału czasu, za pomocą modułu sterującego, rozpoczyna się w chwili wykrycia, za pomocą modułu sterującego, początku aktywnego stanu na wejściu sygnału wyzwalającego i realizuje się przez ładowanie, za pomocą źródła prądowego sygnałowego, kondensatora próbkującego modułu próbkującego.

Korzystne jest, gdy odmierzanie odcinka czasu referencyjnego realizuje się przez ładowanie, za pomocą źródła prądowego referencyjnego, kondensatora wybranego za pomocą modułu sterującego z zestawu kondensatorów, takich, że pojemność każdego kondensatora o kolejnym indeksie jest dwukrotnie większa od pojemności kondensatora bezpośrednio go poprzedzającego. Jako pierwszy wybiera się kondensator o największej pojemności w zestawie kondensatorów. Kondensator ten ładuje się do chwili, gdy narastające na nim napięcie referencyjne, które porównuje się za pomocą komparatora referencyjnego z napięciem progowym, jest równe napięciu progowemu. Wówczas rozpoczyna się ładowanie, za pomocą źródła prądowego referencyjnego, kolejnego kondensatora wybranego

PL 227 454 B1 z zestawu kondensatorów, takiego, że pojemność tego kondensatora jest największa wśród nie ładowanych jeszcze kondensatorów, a narastające na nim napięcie referencyjne porównuje się, za pomocą komparatora referencyjnego, z napięciem progowym. Czynności te powtarza się do końca odmierzania obu odcinków czasu.

Odmierzanie odcinka czasu sygnałowego realizuje się przez ładowanie, za pomocą źródła prądowego sygnałowego, kondensatora wybranego z zestawu kondensatorów, takiego, że pojemność tego kondensatora jest największa wśród nie ładowanych jeszcze kondensatorów. Tak wybrany kondensator ładuje się do chwili, gdy narastające na nim napięcie sygnałowe, które porównuje się za pomocą komparatora sygnałowego z napięciem progowym, jest równe napięciu progowemu. Następnie rozpoczyna się ładowanie, za pomocą źródła prądowego sygnałowego, kolejnego kondensatora, który wybiera się w taki sam sposób. Czynności te powtarza się do końca odmierzania obu odcinków czasu.

Odmierzanie odcinka czasu referencyjnego i odcinka czasu sygnałowego kończy się, gdy podczas ładowania kondensatora o najmniejszej pojemności w zestawie kondensatorów wykryje sie, że albo napięcie referencyjny, narastające na kondensatorze ładowanym za pomocą źródła prądowego referencyjnego, albo napięcie sygnałowe, narastające na kondensatorze ładowanym za pomocą źródła prądowego sygnałowego jest równe napięciu progowemu.

Korzystne jest, gdy generowanie interwału czasu, za pomocą modułu sterującego, kończy się w chwili, gdy napięcie malejące na kondensatorze próbkującym modułu próbkującego, które kontroluje się za pomocą komparatora sygnałowego, jest równe zero.

Korzystne jest, gdy wartość n-bitowego wyjściowego słowa cyfrowego, będącego wynikiem przetwarzania, wyznacza się, za pomocą modułu sterującego, w następujący sposób. Bitowi tego słowa cyfrowego przypisuje się wartość 1, jeżeli podczas ładowania przyporządkowanego temu bitowi kondensatora zestawu kondensatorów za pomocą źródła prądowego referencyjnego nie rozpoczęło ładowanie kolejnego kondensatora za pomocą źródła prądowego sygnałowego. Bilowi tego słowa cyfrowego przypisuje się wartość 1 także wówczas, gdy podczas ładowania przyporządkowanego temu bitowi kondensatora za pomocą źródła prądowego sygnałowego rozpoczęto ładowanie kolejnego kondensatora za pomocą źródła prądowego referencyjnego. W pozostałych przypadkach bitowi temu przypisuje się wartość 0.

Korzystne jest, gdy w okresie trwania interwału czasu wydajności źródła prądowego sygnałowego jest mniejsza od wydajności źródła prądowego referencyjnego. W chwili zakończenia generowania interwału czasu, za pomocą modułu sterującego, wydajność źródła prądowego sygnałowego zwiększa się, za pomocą modułu sterującego, do wydajności źródła prądowego referencyjnego.

Zaletą rozwiązania jest taktowanie jego pracy za pomocą sygnałów wyjściowych dwóch komparatorów, które wykrywają momenty zakończenia realizowania każdego z etapów procesu przetwarzania. W ten sposób wyeliminowano potrzebę stosowania zewnętrznego źródła przebiegu taktującego, pobierającego znaczne ilości energii, istotnie poprawiając sprawność energetyczną procesu przetwarzania.

Przyczyną wysokiej sprawności energetycznej rozwiązania jest także całkowite zawieszanie wykonywania jakichkolwiek działań w przerwach pomiędzy kolejnymi procesami przetwarzania. Moc pobierana wówczas ze źródła zasilania przez układy wykonane w technologii CMOS jest pomijalnie mała.

Zastosowanie źródła prądowego sygnałowego o regulowanej wydajności umożliwia zmniejszenie niezbędnej pojemności kondensatora próbkującego, co pozwala istotnie ograniczyć powierzchnię zajmowaną przez przetwornik wykonany w postaci układu monolitycznego.

Przedmiot wynalazku jest objaśniony w przykładach wykonania na rysunku, gdzie przedstawiono: Fig. 1 - układ w stanie próbkowania,

Fig. 2 - moduł próbkujący SM,

Fig. 3 - generowany interwału czasu T oraz zmiany napięcia USM na kondensatorze próbkującym Cn modułu próbkującego SM.

Zgodnie z wynalazkiem sposób pośredniego przetwarzania chwilowej wielkości napięcia elektrycznego na słowo cyfrowe polega na odwzorowaniu chwilowej wielkości napięcia przetwarzanego długością generowanego interwału czasu T, którą z kolei wyraża się wartością różnicy długości odcinka czasu referencyjnego RT i odcinka czasu sygnałowego ST (fig. 3). Wielkość napięcia przetwarzanego próbkuje się poprzez połączenie górnej okładki kondensatora próbkującego Cn modułu próbkującego SM z wejściem tn napięcia przetwarzanego UIn oraz połączenie dolnej okładki kondensatora próbkującego Cn z masą układu. W chwili wykrycia, za pomocą modułu sterującego CM, początku aktywnego stanu na wejściu sygnału wyzwalającego Trg, górną okładkę kondensatora próbkującego

PL 227 454 B1

Cn modułu próbkującego SM łączy się z napięcie progowym UTH, zaś dolną okładkę tego kondensatora łączy się z wyjściem źródła prądowego sygnałowego IS i rozpoczyna się generowanie interwału czasu T za pomocą modułu sterującego CM. Napięcie USM na kondensatorze próbkującym Cn modułu próbkującego SM. ładowanym za pomocą źródła prądowego sygnałowego IS, maleje wówczas od wielkości próbki napięcia przetwarzanego UIn (fig. 3). Generowanie interwału czasu T, za pomocą modułu sterującego CM, kończy się w chwili, gdy napięcie USM na kondensatorze próbkującym Cn modułu próbkującego SM, które kontroluje się za pomocą komparatora sygnałowego KS, jest równe zero (fig. 3).

Odmierzanie odcinka czasu referencyjnego RT rozpoczyna się w chwili t1 rozpoczęcia generowania interwału czasu T za pomocą modułu sterującego CM (fig. 3). Odmierzanie odcinka czasu sygnałowego ST rozpoczyna się w chwili t2 zakończenia generowania interwału czasu T za pomocą modułu sterującego CM (fig. 3). Odmierzanie obu odcinków czasu kończy się w tym samym momencie t3 (fig. 3), po wyczerpaniu wspólnego zbioru elementów służących do przedłużania odcinka czasu referencyjnego RT i odcinka czasu sygnałowego ST.

Odmierzanie kolejnego skwantowanego fragmentu odcinka czasu referencyjnego RT realizuje się przez ładowanie, za pomocą źródła prądowego referencyjnego IR, kondensatora wybranego za pomocą modułu sterującego CM z zestawu kondensatorów CS, zawierającego kondensatory Cm, C_n-2, Ci, Co- Jako pierwszy wybiera się kondensator G_n-1 o największej pojemności w zestawie kondensatorów CS. Wybrany kondensator ładuje się do chwili, gdy narastające na nim napięcie referencyjne UR, które porównuje się za pomocą komparatora referencyjnego KR z napięciem progowym UTH, jest równe napięciu progowemu UTH. Wówczas rozpoczyna się ładowanie, za pomocą źródła prądowego referencyjnego IR, kolejnego kondensatora wybranego z zestawu kondensatorów CS, takiego, że pojemność tego kondensatora jest największa wśród nie ładowanych jeszcze kondensatorów, a narastające na nim napięcie referencyjne UR, porównuje się, za pomocą komparatora referencyjnego KR, z napięciem progowym UTH, Czynności te powtarza się aż do wyczerpania zbioru kondensatorów Cn-i, Cn-2, , Ci, Co.

Odmierzanie kolejnego skwantowanego fragmentu odcinka czasu sygnałowego ST realizuje się przez ładowanie, za pomocą źródła prądowego sygnałowego IS, kondensatora wybranego za pomocą modułu sterującego CM z zestawu kondensatorów CS, takiego, że pojemność tego kondensatora jest największa wśród nie ładowanych jeszcze kondensatorów. Wybrany kondensator ładuje się do chwili, gdy narastające na nim napięcie sygnałowe US, które porównuje się za pomocą komparatora sygnałowego KS z napięciem progowym UTH, jest równe napięciu progowemu UTH. Następnie rozpoczyna się ładowanie za pomocą źródła prądowego sygnałowego IS kolejnego kondensatora, który wybiera się w taki sam sposób. Czynności te powtarza się aż do wyczerpania zbioru kondensatorów Cn-i,Cn-2, , Ci, Co, a wydajności źródła prądowego referencyjnego IR i źródła prądowego sygnałowego IS są stałe i takie same.

Odmierzanie odcinka czasu referencyjnego RT i odcinka czasu sygnałowego ST kończy się jednocześnie, gdy podczas ładowania kondensatora Co o najmniejszej pojemności w zestawie CS wykryje się, że albo napięcie referencyjne UR narastające na kondensatorze ładowanym za pomocą źródła prądowego referencyjnego IR, albo napięcie sygnałowe US narastające na kondensatorze ładowanym za pomocą źródła prądowego sygnałowego IS jest równe napięciu progowemu UTH.

Wartość n-bitowego wyjściowego słowa cyfrowego B, będącego wynikiem przetwarzania, wyznacza się przypisując bitowi tego słowa cyfrowego, za pomocą modułu sterującego CM, wartość 1, jeżeli podczas ładowania przyporządkowanego temu bitowi kondensatora zestawu kondensatorów CS za pomocą źródła prądowego referencyjnego IR nie rozpoczęto ładowania kolejnego kondensatora za pomocą źródła prądowego sygnałowego IS. Bitowi temu przypisuje się, za pomocą modułu sterującego CM, wartość 1 także wówczas, gdy podczas ładowania przyporządkowanego mu kondensatora zestawu kondensatorów CS za pomocą źródła prądowego sygnałowego IS rozpoczęto ładowanie kolejnego kondensatora za pomocą źródła prądowego referencyjnego IR. W pozostałych przypadkach bitowi temu przypisuje się, za pomocą modułu sterującego CM, wartość 0.

Inny przykładowy sposób pośredniego przetwarzania chwilowej wielkości napięcia elektrycznego na słowo cyfrowe różni się od poprzednich tym, że w okresie generowania interwału czasu T, za pomocą modułu sterującego CM, wydajności źródła prądowego sygnałowego IS jest ośmiokrotnie mniejsza od wydajności źródła prądowego referencyjnego IR. W chwili t2 zakończenia generowania interwału czasu T, za pomocą modułu sterującego CM, wydajność tę zwiększa się, za pomocą modułu sterującego CM, do wydajności źródła prądowego referencyjnego IR.

PL 227 454 B1

Układ do pośredniego przetwarzania chwilowej wielkości napięcia elektrycznego na słowo cyfrowe, w pierwszym przykładowym rozwiązaniu (fig. 1), zawiera moduł sterujący CM wyposażony w wejście sygnału wyzwalającego Trg, wyjście słowa cyfrowego B oraz wyjście zakończenia przetwarzania RDY. Wejście referencyjne InR modułu sterującego CM jest połączone z wyjściem komparatora referencyjnego KR, a wejście sygnałowe InS modułu sterującego CM jest połączone z wyjściem komparatora sygnałowego KS. Wyjście referencyjne PR modułu sterującego CM jest połączone z wejściem sterującym źródła prądowego referencyjnego IR, a wyjście sygnałowe PS modułu sterującego CM jest połączone z wejściem sterującym źródła prądowego sygnałowego IS. Wyjście próbkowania PSM modułu sterującego CM jest połączone z wejściem sterującym modułu próbkującego SM. Wyjścia sterujące P_n-i, P_n-2, ..., Pi, P₀ modułu sterującego CM są połączone, odpowiednio, z wejściami sterującymi przełączników S_n-i, S_n-2, S₁, S₀ zestawu kondensatorów CS. W zestawie kondensatorów CS pojemność każdego kondensatora Cn-i, Cn-2, , Ci, C0 o kolejnym indeksie jest dwukrotnie większa od pojemności kondensatora bezpośrednio go poprzedzającego. Wejście nieodwracające komparatora referencyjnego KR jest połączone z szyną referencyjną R oraz wyjściem źródła prądowego referencyjnego IR, którego wejście jest połączone z napięciem zasilania UDD. Wejście odwracające komparatora referencyjnego KR jest połączone z napięciem progowym UTH. Wejście nieodwracające komparatora sygnałowego KS jest połączone z szyną sygnałową S oraz wyjściem źródła prądowego sygnałowego IS, którego wejście jest połączone z napięciem zasilania UDD. Wejście odwracające komparatora sygnałowego KS jest połączone z napięciem progowym UTH oraz wejściem odwracającym komparatora referencyjnego KR. Dolne okładki kondensatorów Cn-i, Cn-2, , Ci, C0 zestawu kondensatorów CS są połączone z masą układu, a górne okładki tych kondensatorów Cn-i, Cn-2, , Ci, C0 są połączone, odpowiednio, ze stykami ruchomymi przełączników Sn-i, Cn-2, , Si, C0. Pierwsze styki nieruchome przełączników Sn-i, Cn-2, , Si, C0 są połączone z szyną sygnałową S, drugie styki nieruchome są połączone z masą układu, a trzecie styki nieruchome są połączone z szyną referencyjną R. Źródło prądowe referencyjne IR i źródło prądowe sygnałowe IS mają jednakową wydajność.

Moduł próbkujący SM zawiera kondensator próbkujący Cn, którego pojemność jest równa podwojonej pojemności kondensatora Cn-i o największej pojemności w zestawie kondensatorów CS. Górna okładka kondensatora próbkującego Cn modułu próbkującego SM jest połączona ze stykiem ruchomym przełącznika górnej okładki ST, którego pierwszy styk nieruchomy jest połączony z wejściem In napięcia przetwarzanego UIn, a drugi styk nieruchomy przełącznika górnej okładki ST jest połączony z napięciem progowym UTH (fig. 2). Dolna okładka kondensatora próbkującego Cn modułu próbkującego SM jest połączona ze stykiem ruchomym przełącznika dolnej okładki SB, którego pierwszy styk nieruchomy jest połączony z masą układu, a drugi styk nieruchomy jest połączony z szyną sygnałową S. Wejścia sterujące przełącznika górnej okładki ST i przełącznika dolnej okładki SB są ze sobą sprzężone i są połączone z wyjściem próbkowania PSM modułu sterującego CM.

W drugim przykładowym rozwiązaniu układ różni się od przedstawionego w pierwszym przykładzie tym, że źródło prądowe sygnałowe IS ma wydajność regulowaną, której wartość zmienia się za pomocą wyjścia referencyjnego PR moduł sterujący CM. Wydajność źródła prądowego sygnałowe IS może być równa wydajności źródła prądowego referencyjnego IR lub osiem razy od niej mniejsza. Ponadto, pojemność kondensatora próbkującego Cn modułu próbkującego SM jest cztery razy mniejsza od pojemności kondensatora Cn-i o największej pojemności w zestawie kondensatorów CS.

W poniższym opisie przebiegu przetwarzania przyjęto następujące oznaczenia: x jest indeksem kondensatora ładowanego aktualnie za pomocą źródła prądowego referencyjnego IR, y jest indeksem kondensatora ładowanego aktualnie za pomocą źródła prądowego sygnałowego IS, z jest indeksem kondensatora, którego pojemność jest aktualnie największa wśród nie ładowanych jeszcze kondensatorów zestawu kondensatorów CS.

Pośrednie przetwarzanie chwilowej wielkości napięcia elektrycznego na słowo cyfrowe realizowane, według wynalazku, w pierwszym przykładowym układzie (fig. 1) przebiega następująco. Przed rozpoczęciem procesu przetwarzania moduł sterujący CM, przy pomocy sygnału z wyjścia referencyjnego PR, powoduje wyłączenie źródła prądowego referencyjnego IR, zaś przy pomocy sygnału z wyjścia sygnałowego PS powoduje wyłączenie źródła prądowego sygnałowego IS. Przy pomocy sygnałów z wyjść sterujących Pn-i, Pn-2, Pi, P0 moduł sterujący CM powoduje przełączenie przełączników

Sn-i, Cn-2, , Si, C0 w drugie położenie i połączenie górnych okładek wszystkich kondensatorów Cn-i, Cn-2, , Ci, C0 zestawu kondensatorów CS z masą układu, wymuszając całkowite rozładowanie

PL 227 454 B1 wszystkich kondensatorów C_n-1, C_n-2, C₁, C₀ zestawu kondensatorów CS. Przy pomocy sygnału z wyjścia próbkowania PSM moduł sterujący CM powoduje przełączenie przełącznika górnej okładki ST w pierwsze położenie i połączenie górnej okładki kondensatora próbkującego Cn modułu próbującego SM z wejściem In napięcia przetwarzanego UIn n oraz jednoczesne przełączenie przełącznika dolnej okładki SB w pierwsze położenie i połączenie dolnej okładki tego kondensatora z masą układu, wprowadzając moduł próbkujący SM w stan próbkowania (fig. 2).

W chwili wykrycia przez modułu sterujący CM początku aktywnego stanu na wejściu sygnału wyzwalającego Trg moduł sterujący CM wprowadza wyjście zakończenia przetwarzania RDY w stan nieaktywny. Następnie moduł sterujący CM kończy proces próbkowania wielkości napięcia przetwarzanego UIn i jednocześnie rozpoczyna generowanie interwału czasu T (fig. 3). Moduł sterujący CM łączy wówczas górną okładkę kondensatora próbkującego Cn modułu próbkującego SM z napięciem progowym UTH i jednocześnie łączy dolną okładkę tego kondensatora z wyjściem źródła prądowego sygnałowego IS. W tym celu moduł sterujący CM powoduje, przy pomocy sygnału z wyjścia próbkującego PSM przełączenie przełącznika górnej okładki ST w drugie położenie i jednocześnie przełączenie przełącznika dolnej okładki SB w drugie położenie. Następnie, przy pomocy sygnału z wyjścia sygnałowego PS moduł sterujący CM powoduje włączenie źródła prądowego sygnałowego IS. Napięcie USM na kondensatorze próbkującym Cn modułu próbkującego SM, ładowanym za pomocą źródła prądowego sygnałowego IS, maleje od wielkości próbki napięcia przetwarzanego UIn (fig. 3), Napięcie to kontroluje się za pomocą komparatora sygnałowego KS. Następnie moduł sterujący CM rozpoczyna odmierzanie odcinka czasu referencyjnego RT (fig. 3). Moduł sterujący CM łączy wówczas wyjście źródła prądowego referencyjnego IR z górną okładkę kondensatora Cn-1 o największej pojemności w zestawie kondensatorów CS. W tym celu moduł sterujący CM powoduje, przy pomocy sygnału z wyjścia sterującego Pn-1 przełączenie przełącznika Sn-1 w trzecie położenie. Jednocześnie, przy pomocy sygnału z wyjścia referencyjnego PR moduł sterujący CM powoduje włączenie źródła prądowego referencyjnego IR. Napięcie referencyjne UR narastające na kondensatorze Cx ładowanym za pomocą źródła prądowego referencyjnego IR porównuje się za pomocą komparatora referencyjnego KR z napięciem progowym UTH. Gdy napięcie referencyjne UR osiągnie wielkość napięcia progowego UTH wówczas, na podstawie sygnału wyjściowego komparatora referencyjnego KR, moduł sterujący CM powoduje, przy pomocy sygnału z wyjścia sterującego Px, przełączenie przełącznika Sx w drugie położenie i połączenie górnej okładki kondensatora Cx z masą układu, wymuszając całkowite rozładowanie tego kondensatora. Jednocześnie moduł sterujący CM łączy wyjście źródła prądowego referencyjnego IR z górną okładkę kondensatora Cz, takiego, że jego pojemność jest największa wśród nie ładowanych jeszcze kondensatorów zestawu kondensatorów CS. W tym celu moduł sterujący CM powoduje, przy pomocy sygnału z wyjścia sterującego Pz, przełączenie przełącznika Sz w trzecie położenie. Napięcie referencyjne UR narastające na kondensatorze Cx ładowanym aktualnie za pomocą źródła prądowego referencyjnego IR porównuje się za pomocą komparatora referencyjnego KR z napięciem progowym UTH. Czynności te powtarza się aż do momentu t3 zakończenia odmierzania odcinka czasu referencyjnego RT.

W chwili wykrycia przez modułu sterującego CM, na podstawie sygnału wyjściowego komparatora sygnałowego KS, iż napięcie USM malejące na kondensatorze próbkującym Cn modułu próbkującego SM jest równe zero, moduł sterujący CM kończy generowanie interwału czasu T (fig. 3). Moduł sterujący CM łączy wówczas górną okładkę kondensatora próbkującego Cn modułu próbkującego SM z wyjściem In napięcia przetwarzanego UIn i jednocześnie łączy dolną okładkę tego kondensatora z masą układu, ponownie wprowadzając moduł próbkujący SM w stan próbkowania (fig. 2). W tym celu, moduł sterujący CM powoduje, przy pomocy sygnału z wyjścia próbkującego PSM przełączenie przełącznika górnej okładki ST w pierwsze położenie i jednocześnie przełączenie przełącznika dolnej okładki SB w pierwsze położenie. Następnie moduł sterujący CM rozpoczyna odmierzanie odcinka czasu sygnałowego ST (fig. 3). Moduł sterujący CM łączy wówczas wyjście źródła prądowego sygnałowego IS z górną okładkę kondensatora Cz, takiego, że jego pojemność jest największa wśród nie ładowanych jeszcze kondensatorów zestawu kondensatorów CS. W tym celu moduł sterujący CM powoduje, przy pomocy sygnału z wyjścia sterującego Pz, przełączenie przełącznika Sz w pierwsze położenie. Napięcie sygnałowe US narastające na kondensatorze Cy ładowanym za pomocą źródła prądowego sygnałowego IS porównuje się za pomocą komparatora sygnałowego KS z napięciem progowym UTH. Gdy napięcie sygnałowe US osiągnie wielkość napięcia progowego UTH wówczas, na podstawie sygnału wyjściowego komparatora syg nałowego KS, moduł sterujący CM powoduje, przy pomocy sygnału z wyjścia sterującego Py, przełączenie przełącznika Sy w drugie położenie i połączenie górnej okładki kondensatora Cy z masą układu, wymuszając całkowite rozładowanie tego kondenPL 227 454 B1 satora. Jednocześnie moduł sterujący GM łączy wyjście źródła prądowego sygnałowego IS z górną okładkę kondensatora Cz, takiego, że jego pojemność jest największa wśród me ładowanych jeszcze kondensatorów zestawu kondensatorów CS. Czynności te powtarza się aż do momentu ta zakończenia odmierzania odcinka czasu sygnałowego ST.

Odmierzanie odcinka czasu referencyjnego RT i odcinka czasu sygnałowego ST moduł sterujący CM kończy w chwili t3 (fig. 3), gdy podczas ładowania kondensatora C0 o najmniejszej pojemności w zestawie kondensatorów CS wykryje, albo na podstawie sygnału wyjściowego komparatora referencyjnego KR, że napięcie referencyjne UR narastające na kondensatorze Cx ładowanym za pomocą źródła prądowego referencyjnego jest równe napięciu progowemu UTH, albo na podstawie sygnału wyjściowego komparatora sygnałowego KS, że napięcie sygnałowe US narastające na kondensatorze Cy ładowanym za pomocą źródła prądowego sygnałowego IS jest równe napięciu progowemu UTH. Moduł sterujący CM, przy pomocy sygnału z wyjścia referencyjnego PR powoduje wówczas wyłączenie źródła prądowego referencyjnego IR, zaś przy pomocy sygnału z wyjścia sygnałowego Ps powoduje wyłączenie źródła prądowego sygnałowego IR. Przy pomocy sygnałów z wyjść sterujących Pn-1, P_n-2. Pi, Po· moduł sterujący CM powoduje przełączenie przełączników S_n-1, S_n-2 S₁, S₀ w drugie położenie i połączenie górnych okładek wszystkich kondensatorów C_n-1, C_n-2, ... C₁, C_o zestawu kondensatorów CS z masą układu, wymuszając całkowite rozładowanie wszystkich kondensatorów Cn-i, Cn-2, , C1, Co o zestawu kondensatorów CS (fig. 1). Następnie moduł sterujący CM wprowadza wyjście zakończenia przetwarzania RDY w stan aktywny.

Moduł sterujący CM przypisuje bitowi bx wyjściowego słowa cyfrowego B wartość 1, jeżeli podczas ładowania przyporządkowanego temu bitowi kondensatora Cx zestawu kondensatorów CS za pomocą źródła prądowego referencyjnego IR moduł sterujący CM nie spowodował rozpoczęcia ładowanie kolejnego kondensatora za pomocą źródła prądowego sygnałowego Is. Moduł sterujący CM przypisuje bitowi by n-bitowego wyjściowego słowa cyfrowego B wartość 1 także wówczas, gdy podczas ładowania przyporządkowanego temu bitowi kondensatora Cy, zestawu kondensatorów CS za pomocą źródła prądowego sygnałowego Is moduł sterujący CM spowodował rozpoczęcia ładowanie kolejnego kondensatora za pomocą źródła prądowego referencyjnego IR. Pozostałym bitom n-bitowego wyjściowego słowa cyfrowego B moduł sterujący CM przypisuje wartość 0.

W drugim przykładowym układzie w chwili wykrycia przez modułu sterujący CM początku aktywnego stanu na wejściu sygnału wyzwalającego Trg moduł sterujący CM powoduje dodatkowo, przy pomocy sygnału z wyjścia sygnałowego PS, ośmiokrotne zmniejszenie wydajności źródła prądowego sygnałowego Is w stosunku do wydajności źródła prądowego referencyjnego I_R. W chwili t₂ zakończenia generowania interwału czasu T, za pomocą modułu sterującego CM, moduł sterujący CM powoduje dodatkowo, przy pomocy sygnału z wyjścia sygnałowego Ps, zwiększenie wydajności źródła prądowego sygnałowego I_S do wydajności źródła prądowego referencyjnego I_R.

Wykaz oznaczeń na rysunku

In wejście napięcia przetwarzanego,

InS wejście sygnałowe,

InR wejście referencyjne,

Trg wejście sygnału wyzwalającego,

PS wyjście sygnałowe,

PR wyjście referencyjne,

PSM wyjście próbkowania,

RDY wyjście zakończenia przetwarzania,

B wyjście słowa cyfrowego, bn-1, bn-2, , b1, bo bity słowa cyfrowego,

S szyna sygnałowa,

R szyna referencyjna,

IS źródło prądowe sygnałowe,

IR źródło prądowe referencyjne,

KS komparator sygnałowy,

KR komparator referencyjny,

CS zestaw kondensatorów,

CM moduł sterujący,

PL 227 454 B1

SM moduł próbkujący,

Cn kondensator próbkujący,

Cn-1, Cn-2, ..., C1, C0 kondensatory zestawu,

Cn-1 kondensator o największej pojemności w zestawie,

C0 kondensator o najmniejszej pojemności w zestawie,

ST przełącznik górnej okładki,

SB przełącznik dolnej okładki,

S_n-i, S_n-2, ..., S₁, S₀ przełączniki,

Pn-1, Pn-2, ..., P1, P0 wyjścia sterujące,

UIn napięcie przetwarzane,

USM napięcie na kondensatorze próbkującym,

UTH napięcie progowe,

US napięcie sygnałowe,

UR napięcie referencyjne,

UDD napięcie zasilania,

T interwał czasu

ST odcinek czasu sygnałowego

RT odcinek czasu referencyjnego t1 chwila rozpoczęcia generowania interwału czasu T t2 chwila zakończenia generowania interwału czasu T t3 moment zakończenia odmierzania obu odcinków czasu

Claims (6)

1. Sposób pośredniego przetwarzania chwilowej wielkości napięcia elektrycznego na słowo cyfrowe, polegający na spróbkowaniu wielkości napięcia przetwarzanego poprzez równoległe połączenie kondensatora próbkującego ze źródłem napięcia przetwarzanego, a następnie odwzorowywaniu wielkości próbki napięcia przetwarzanego długością generowanego interwału czasu oraz przypisaniu, za pomocą modułu sterującego, odpowiedniej wartości n-bitowemu wyjściowemu słowu cyfrowemu, znamienny tym, że interwał czasu (T) odwzorowuje się w postaci różnicy długości odcinka czasu referencyjnego (RT) i odcinka czasu sygnałowego (ST), przy czym odcinek czasu referencyjnego (RT) odmierza się od chwili (b) rozpoczęcia generowania interwału czasu (T) za pomocą modułu sterującego (CM), a odcinek czasu sygnałowego (ST) odmierza się od chwili (Iz) zakończenia generowania interwału czasu (T) za pomocą modułu sterującego (CM), zaś odmierzanie obu odcinków czasu kończy się w tym samym momencie (t3).

2. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że generowanie interwału czasu (T), za pomocą modułu sterującego (CM), rozpoczyna się w chwili wykrycia, za pomocą modułu sterującego (CM), początku aktywnego stanu na wejściu sygnału wyzwalającego (Trg) i realizuje się przez ładowanie, za pomocą źródła prądowego sygnałowego (Is), kondensatora próbkującego (Cn) modułu próbkującego (SM).

3. Sposób według zastrz. 2, znamienny tym, że

- odmierzanie odcinka czasu referencyjnego (RT) realizuje się przez ładowanie, za pomocą źródła prądowego referencyjnego (IR), kondensatora wybranego za pomocą modułu sterującego (CM) z zestawu kondensatorów (CS), zawierającego kondensatory (Cn-1, Cn-2, .,C1, C0), takie, że pojemność każdego kondensatora o kolejnym indeksie jest dwukrotnie większa od pojemności kondensatora bezpośrednio go poprzedzającego, a jako pierwszy wybiera się kondensator (Cn-1) o największej pojemności w zestawie kondensatorów (CS), przy czym wybrany kondensator ładuje się do chwili, gdy narastające na nim napięcie referencyjne (UR), które porównuje się za pomocą komparatora referencyjnego (KR) z napięciem progowym (UTH), jest równe napięciu progowemu (UTH) i wówczas rozpoczyna się ładowanie, za pomocą źródła prądowego referencyjnego (IR), kolejnego kondensatora wybranego z zestawu kondensatorów (CS), takiego, że pojemność tego kondensatora jest największa wśród nie ładowanych jeszcze kondensatorów, a narastające na nim napięcie referencyjne

PL 227 454 B1 (UR) porównuje się, za pomocą komparatora referencyjnego (KR), z napięciem progowym (UTH) i czynności te powtarza się,

- odmierzanie odcinka czasu sygnałowego (ST) realizuje się przez ładowanie, za pomocą źródła prądowego sygnałowego (IS), kondensatora wybranego za pomocą modułu sterującego (CM) z zestawu kondensatorów (CS), takiego, że pojemność tego kondensatora jest największa wśród nie ładowanych jeszcze kondensatorów, przy czym wybrany kondensator ładuje się do chwili, gdy narastające na nim napięcie sygnałowe (US), które porównuje się za pomocą komparatora sygnałowego (KS) z napięciem progowym (UTH), jest równe napięciu progowemu (UTH), a następnie rozpoczyna się ładowanie, za pomocą źródła prądowego sygnałowego (IS), kolejnego kondensatora, który wybiera się w taki sam sposób i czynności te powtarza się,

- kończy się odmierzanie odcinka czasu referencyjnego (RT) i odcinka czasu sygnałowego (ST), gdy podczas ładowania kondensatora (C0) o najmniejszej pojemności w zestawie (CS) wykryje się, że albo napięcie referencyjne (UR) narastające na kondensatorze ładowanym za pomocą źródła prądowego referencyjnego (IR), albo napięcie sygnałowe (US) narastające na kondensatorze ładowanym za pomocą źródła prądowego sygnałowego (ls) jest równe napięciu progowemu (UTH).

4. Sposób według zastrz. 3, znamienny tym, że generowanie interwału czasu (T), za pomocą modułu sterującego (CM), kończy się w chwili, gdy napięcie (USM) malejące na kondensatorze próbkującym (Cn) modułu próbkującego (SM), które kontroluje się za pomocą komparatora sygnałowego (KS), jest równe zero.

5. Sposób według zastrz. 4, znamienny tym, że wartość n-bitowego wyjściowego słowa cyfrowego (B), będącego wynikiem przetwarzania, wyznacza się, za pomocą modułu sterującego (CM), przypisując bitowi tego słowa cyfrowego wartość 1, jeżeli podczas ładowania przyporządkowanego temu bitowi kondensatora zestawu kondensatorów (CS) za pomocą źródła prądowego referencyjnego (IR) nie rozpoczęto ładowanie kolejnego kondensatora za pomocą źródła prądowego sygnałowego (lS) lub jeżeli podczas ładowania przyporządkowanego temu bitowi kondensatora zestawu kondensatorów (CS) za pomocą źródła prądowego sygnałowego (lS) rozpoczęto ładowanie kolejnego kondensatora za pomocą źródła prądowego referencyjnego (IR), natomiast w pozostałych przypadkach bitowi temu przypisuje się wartość 0.

6. Sposób według zastrz. 5, znamienny tym, że w okresie trwania interwału czasu (T) wydajności źródła prądowego sygnałowego (lS) jest mniejsza od wydajności źródła prądowego referencyjnego (IR), a w chwili t2 zakończenia generowania interwału czasu (T) za pomocą modułu sterującego (CM) wydajność źródła prądowego sygnałowego (IS) zwiększa się, za pomocą modułu sterującego (CM), do wydajności źródła prądowego referencyjnego (IR).