PL227455B1 - Układ do przetwarzania interwału czasu na słowo cyfrowe metodą kompensacji wagowej - Google Patents

Abstract

Układ do przetwarzania interwału czasu na słowo cyfrowe metodą kompensacji wagowej zawiera moduł sterujący (CM), dwa komparatory (KR, KS), dwa źródła prądowe (IR, IS), dwie szyny (R, S) oraz zestaw kondensatorów (CS). Układ charakteryzuje się tym, że dolne okładki wszystkich kondensatorów (Cn-1, Cn-2, ..., C1, C0) zestawu kondensatorów (CS) są połączone z masą układu, a górne okładki tych kondensatorów są połączone, odpowiednio, ze stykami ruchomymi przełączników (Sn-1, Sn-2, ..., S1, S0). Pierwsze styki nieruchome tych przełączników są połączone z szyną sygnałową (S), drugie styki nieruchome są połączone z masą układu, a trzecie styki nieruchome są połączone z szyną referencyjną (R).

Description

Przedmiotem wynalazku jest układ do przetwarzania interwału czasu na słowo cyfrowe metodą kompensacji wagowej, znajdujący zastosowanie w systemach kontrolno-pomiarowych.

Znany z opisu patentowego PL 220 575 (zgłoszenie międzynarodowe WO/2011/152744) układ do pośredniego przetwarzania interwału czasu na słowo cyfrowe zawiera kondensator próbkujący oraz zespół kondensatorów o binarnym stosunku ich pojemności. Dolna okładka każdego kondensatora jest łączona, za pośrednictwem przełącznika, z potencjałem masy lub napięciem pomocniczym, którego wartość jest odpowiednio większa od wartości napięcia referencyjnego. Z napięciem pomocniczym jest także połączone wejście nieodwracające pierwszego komparatora, służącego do wykrywania całkowitego rozładowania kondensatora pełniącego w danym momencie funkcję elementu źródłowego. Wejście odwracające tego komparatora jest połączone z szyną źródłową. Wejście nieodwracające drugiego komparatora, służącego do wykrywania całkowitego naładowania kondensatora pełniącego w danym momencie funkcję elementu docelowego jest połączone z napięciem referencyjnym, zaś wejście odwracające jest połączone z szyną docelową. Szyna docelowa jest połączona, za pośrednictwem łącznika, z masą układu oraz z wyjściem źródła prądowego, którego wejście jest łączone, za pośrednictwem przełącznika, z szyną źródłową lub ze źródłem napięcia zasilania. Górna okładka każdego kondensatora jest połączona, za pośrednictwem łącznika źródłowego, z szyną źródłową oraz, za pośrednictwem łącznika docelowego, z szyną docelową. Wejścia sterujące stanem wszystkich łączników i przełączników są połączone z odpowiednimi wyjściami modułu sterującego, przy czym stan przełącznika i łącznika docelowego danego kondensatora są sterowane za pośrednictwem tego samego wyjścia modułu sterującego, zaś stan łącznika źródłowego jest kontrolowany przez niezależne wyjście modułu sterującego. Z modułem sterującym są także połączone wyjścia obu komparatorów oraz wejście interwału czasu. Moduł sterujący jest ponadto wyposażony w wyjście słowa cyfrowego oraz wyjście sygnalizujące zakończenie przetwarzania.

Układ do przetwarzania interwału czasu na słowo cyfrowe, według wynalazku, zawiera moduł sterujący wyposażony w wejście interwału czasu, wyjście słowa cyfrowego, wyjście zakończenia przetwarzania, wejście referencyjne, połączone z wyjściem komparatora referencyjnego i wejście sygnałowe, połączone z wyjściem komparatora sygnałowego oraz wyjście referencyjne, połączone z wejściem sterującym źródła prądowego referencyjnego i wyjście sygnałowe, połączone z wejściem sterującym źródła prądowego sygnałowego, a także wyjścia sterujące przełącznikami zestawu kondensatorów. W zestawie kondensatorów pojemność każdego kondensatora o kolejnym indeksie jest dwukrotnie większa od pojemności kondensatora bezpośrednio go poprzedzającego. Ponadto wejście nieodwracające komparatora referencyjnego jest połączone z szyną referencyjną oraz wyjściem źródła prądowego referencyjnego, którego wejście jest połączone z napięciem zasilania Wejście odwracające komparatora referencyjnego jest połączone z napięciem progowym.

Istotą rozwiązania jest to, że wejście nieodwracające komparatora sygnałowego jest połączone z szyną sygnałową oraz wyjściem źródła prądowego sygnałowego, którego wejście jest połączone z napięciem zasilania. Wejście odwracające komparatora sygnałowego jest połączone z napięciem progowym oraz wejściem odwracającym komparatora referencyjnego. Dolne okładki kondensatorów zestawu kondensatorów są połączone z masą układu, a górne okładki tych kondensatorów są połączone, odpowiednio, ze stykami ruchomymi przełączników. Pierwsze styki nieruchome tych przełączników są połączone z szyną sygnałową, drugie styki nieruchome są połączone z masą układu, a trzecie styki nieruchome są połączone z szyną referencyjną.

Korzystne jest, gdy źródło prądowe referencyjne i źródło prądowe sygnałowe mają taką samą wydajność.

Korzystne jest, gdy źródło prądowe referencyjne ma wydajność regulowaną.

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.

Trwałe połączenie dolnych okładek wszystkich kondensatorów z masą układu eliminuje lub ogranicza wpływ większości pojemności pasożytniczych na dokładność otrzymywanych wyników przetwarzania. Rozwiązanie takie zmniejsza także liczbę przełączników niezbędnych do skonstruowania przetwornika, a także upraszcza proces sterowania jego pracą.

PL 227 455 B1

Zastosowanie źródła prądowego referencyjnego o regulowanej wydajności umożliwia niezależne definiowanie zakresu pomiarowego przetwornika i maksymalnej długości odcinka czasu sygnałowego. Dzięki powyższemu całkowity czas przetwarzania może być krótszy od osiąganego w układzie wykorzystującym źródło prądowe referencyjne o wydajności stałej i równej wydajności źródła prądowego sygnałowego.

Przedmiot wynalazku jest objaśniony w przykładach wykonania na rysunku, gdzie przedstawiono:

Fig. 1 - układ w stanie oczekiwania na pojawienie się początku interwału czasu,

Fig. 2 - wzajemne usytuowanie interwału czasu T oraz odcinka czasu referencyjnego RT i odcinka czasu sygnałowego ST.

Zgodnie z wynalazkiem w pierwszym przykładowym rozwiązaniu układ do przetwarzania interwału czasu na słowo cyfrowe metodą kompensacji wagowej zawiera (fig, 1) moduł sterujący CM wyposażony w wejście interwału czasu In, 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. 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-1, Cn-2, ., C1, C0 zestawu kondensatorów CS są połączone z masą układu, a górne okładki tych kondensatorów Cn-1, Cn-2, ., C1, C0 są połączone, odpowiednio, ze stykami ruchomymi przełączników Sn-1, Sn-2, ., S1, S0. Pierwsze styki nieruchome przełączników Sn-1, Sn-2, ., S1, S0 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, w tym przykładzie, mają jednakową wydajność.

W drugim przykładowym rozwiązaniu układ różni się od przedstawionego w pierwszym przykładzie tym, że źródło prądowe referencyjne IR ma wydajność regulowaną, której wartość zmienia się za pomocą wyjścia referencyjnego PR moduł sterujący CM.

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 aktualnie jest największa wśród nie ładowanych jeszcze kondensatorów zestawu kondensatorów CS.

Przetwarzanie interwału czasu na słowo cyfrowe metodą kompensacji wagowej realizowane 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-1, Pn-2, ., P1, P0 moduł sterujący CM powoduje przełączenie przełączników Sn-1, Sn-2, ., S1, S0 w drugie położenie i połączenie górnych okładek wszystkich kondensatorów Cn-1, Cn-2, ., C1, C0 zestawu kondensatorów CS z masą układu, wymuszając całkowite rozładowanie wszystkich kondensatorów Cn-1, Cn-2, ., C1, C0 zestawu kondensatorów CS.

W chwili t1 wykrycia przez moduł sterujący CM początku interwału czasu T, sygnalizowanego na wejściu interwału czasu In, moduł sterujący CM wprowadza wyjście zakończenia przetwarzania RDY w stan nieaktywny. Następnie moduł sterujący CM rozpoczyna odmierzanie odcinka czasu referencyjnego RT (fig. 2). Moduł sterujący CM łączy wówczas wyjście źródła prądowego referencyjnego IR

PL 227 455 B1 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 i przełączenie przełącznika Sn-1 w trzecie położenie. Jednocześnie, przy pomocy sygnału z wyjścia referencyjnego PR moduł sterujący CM powoduje włączenie źródła prądowego referencyjnego IR, Następnie moduł sterujący CM przypisuje bitowi bn-1 n-bitowego pierwszego słowa cyfrowego wartość 1, a bitowi bn-1 n-bitowego drugiego słowa cyfrowego wartość 0. 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. Następnie moduł sterujący CM przypisuje bitowi bz n-bitowego pierwszego słowa cyfrowego wartość 1, a bitowi bz n-bitowego drugiego słowa cyfrowego wartość 0. 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 t2 wykrycia końca interwału czasu T przez moduł sterujący CM, sygnalizowanego na wejściu interwału czasu In, moduł sterujący CM rozpoczyna odmierzanie odcinka czasu sygnałowego ST (fig. 2). 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. Jednocześnie, przy pomocy sygnału z wyjścia sygnałowego PS, moduł sterujący CM powoduje włączenie źródła prądowego sygnałowego IS. Następnie moduł sterujący CM przypisuje bitowi bz n-bitowego pierwszego słowa cyfrowego wartość 0, a bitowi bz n-bitowego drugiego słowa cyfrowego wartość 1. 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 sygnałowego 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 kondensatora. Jednocześnie moduł sterujący CM łączy wyjście źródła prądowego sygnałowego IS z górną okładkę kondensatora Cz, takiego, że jego pojemność jest największa wśród nie ładowanych jeszcze kondensatorów zestawu kondensatorów CS. Czynności te powtarza się aż do momentu t3 zakończenia odmierzania odcinka czasu sygnałowego ST.

Odmierzanie odcinka czasu referencyjnego RT i odcinka czasu sygnałowego ST moduł sterujący CM kończy w chwili t3 (fig. 2), gdy podczas ładowania kondensatora C0 o najmniejszej pojemności w zestawie kondensatorów CS wykryje, albo na podstawie sygnału wyjściowego komparatora referencyjnego KS, że napięcie referencyjne UR narastające na kondensatorze Cx ładowanym za pomocą źródła prądowego referencyjnego IR jest równe napięciu progowemu UTH albo na podstawie sygnału wyjściowego komparatora sygnałowego KS, ze napięcie sygnałowe US narastające na kondensatorze Cy ładowanym za pomocą źródła prądowego sygnałowego IS jest równe napięciu progowemu UTH. W drugim z przypadków moduł sterujący CM zmniejsza o 1 wartość n-bitowego pierwszego słowa cyfrowego. Następnie, w obu przepadkach, 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 P_n-1, P_n-2, .... P₁, P₀ Po moduł sterujący CM powoduje przełączenie przełączników S_n-1, S_n-2, .... Si, S₀ w drugie położenie i połączenie górnych okładek wszystkich kondensatorów Cn-1, Cn-2, ., C1, C0 zestawu kondensatorów CS z masą układu, wymuszając całkowite rozładowanie wszystkich kondensatorów Cn-i, Cn-2, ., Ci, C0 zestawu kondensatorów CS.

PL 227 455 B1

Moduł sterujący CM wyznacza wartości bitów b_n-1, b_n-2, .... b₁, b₀ n-bitowego wyjściowego słowa cyfrowego B, będącego wynikiem przetwarzania, odejmując od wartości n-bitowego pierwszego słowa cyfrowego wartość n-bitowego drugiego słowa cyfrowego. Następnie moduł sterujący CM wprowadza wyjście zakończenia przetwarzania RDY w stan aktywny.

W drugim przykładowym układzie przetwarzanie interwału czasu na słowo cyfrowe metodą kompensacji wagowej różni się od realizowanego w pierwszym przykładowym układzie tym, że w chwili t1 wykrycia przez moduł sterujący CM początku interwału czasu T, sygnalizowanego na wejściu interwału czasu In, moduł sterujący CM powoduje dodatkowo, przy pomocy sygnału z wyjścia referencyjnego PR zmniejszenie wydajności źródła prądowego referencyjnego IR poniżej wydajności źródła prądowego sygnałowego IS. W chwili t2 wykrycia przez moduł sterujący CM końca interwału czasu T, sygnalizowanego na wejściu interwału czasu In, moduł sterujący CM powoduje dodatkowo, przy pomocy sygnału z wyjścia referencyjnego PR, zwiększenie wydajności źródła prądowego referencyjnego IR do wydajności źródła prądowego sygnałowego IS.

Wykaz oznaczeń na rysunku

In wejście interwału czasu,

InS wejście sygnałowe,

InR wejście referencyjne,

PS wyjście sygnałowe,

PR wyjście referencyjne,

B wyjście słowa cyfrowego, bn-1, bn-2, , b1, b0 bity słowa cyfrowego,

RDY wyjście zakończenia przetwarzania,

IS źródło prądowe sygnałowe,

IR źródło prądowe referencyjne,

S szyna sygnałowa,

R szyna referencyjna,

KS komparator sygnałowy,

KR komparator referencyjny,

CS zestaw kondensatorów,

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

Cn-1 kondensator o największej pojemności w zestawie,

C0 kondensator o najmniejszej pojemności w zestawie,

Sn-1, Sn-2, , S1, S0 przełączniki,

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

CM moduł sterujący,

US napięcie sygnałowe,

UR napięcie referencyjne,

UTH napięcie progowe,

UDD napięcie zasilania,

T interwał czasu, t1 chwila wykrycia początku interwalu czasu T, t2 chwila wykrycia końca interwału czasu T, t3 moment zakończenia odmierzania obu odcinków czasu,

ST odcinek czasu sygnałowego,

RT odcinek czasu referencyjnego.

Claims (3)

1. Układ do przetwarzania interwału czasu na słowo cyfrowe, zawierający moduł sterujący wyposażony w wejście interwału czasu, wyjście słowa cyfrowego, wyjście zakończenia przetwarzania, wejście referencyjne, połączone z wyjściem komparatora referencyjnego i wejście sygnałowe, połączone z wyjściem komparatora sygnałowego, oraz wyjście referencyjne, połączone z wejściem sterującym źródła prądowego referencyjnego i wyjście sygnałowe, połączone z wejściem sterującym źródła prądowego sygnałowego, a także wyjścia sterujące

PL 227 455 B1 przełącznikami zestawu kondensatorów, przy czym w zestawie kondensatorów pojemność każdego kondensatora o kolejnym indeksie jest dwukrotnie większa od pojemności kondensatora bezpośrednio go poprzedzającego, a ponadto wejście nieodwracające komparatora referencyjnego jest połączone z szyną referencyjną oraz wyjściem źródła prądowego referencyjnego, którego wejście jest połączone z napięciem zasilania, a wejście odwracające komparatora referencyjnego jest połączone z napięciem progowym, znamienny tym, że 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), a wejście odwracające komparatora sygnałowego (KS) jest połączone z napięciem progowym (UTH) oraz wejściem odwracającym komparatora referencyjnego (K_R), zaś dolne okładki kondensatorów (C_n-1, C_n-2, ..., C₁, C₀) zestawu kondensatorów (CS) są połączone z masą układu, a górne okładki tych kondensatorów (C_n-1, C_n-2, C₁, C₀) są połączone, odpowiednio, ze stykami ruchomymi przełączników (Sn-1, Sn-2, ., S1, S0), których pierwsze styki nieruchome są połączone z szyną sygnałową (S), drugie styki nieruchome są połączone z masą układu, a trzecie styki nieruchome są połączone z szyną referencyjną (R).

2. Układ, według zastrz. 1, znamienny tym, że źródło prądowe referencyjne (IR) i źródło prądowe sygnałowe (Is) mają taką samą wydajność.

3. Układ, według zastrz. 1, znamienny tym, że źródło prądowe referencyjne (IR) ma wydajność regulowaną.