RU2097915C1 - Устройство для преобразования аналогового сигнала оптического датчика в цифровой код - Google Patents

Устройство для преобразования аналогового сигнала оптического датчика в цифровой код Download PDF

Info

Publication number
RU2097915C1
RU2097915C1 RU95117294/09A RU95117294A RU2097915C1 RU 2097915 C1 RU2097915 C1 RU 2097915C1 RU 95117294/09 A RU95117294/09 A RU 95117294/09A RU 95117294 A RU95117294 A RU 95117294A RU 2097915 C1 RU2097915 C1 RU 2097915C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
output
input
key
integrator
keys
Prior art date
Application number
RU95117294/09A
Other languages
English (en)
Other versions
RU95117294A (ru
Inventor
К.А. Родионов
Л.М. Муравник
нников Н.М. Сафь
Н.М. Сафьянников
Original Assignee
Научно-исследовательский институт радиоэлектронных систем прогнозирования чрезвычайных ситуаций
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Научно-исследовательский институт радиоэлектронных систем прогнозирования чрезвычайных ситуаций filed Critical Научно-исследовательский институт радиоэлектронных систем прогнозирования чрезвычайных ситуаций
Priority to RU95117294/09A priority Critical patent/RU2097915C1/ru
Publication of RU95117294A publication Critical patent/RU95117294A/ru
Application granted granted Critical
Publication of RU2097915C1 publication Critical patent/RU2097915C1/ru

Links

Images

Landscapes

  • Analogue/Digital Conversion (AREA)

Abstract

Изобретение относится к области электроизмерительной техники и может найти применение в устройствах преобразования формы информации. Технический результат - повышение точности за счет устранения погрешности, вносимой масштабным усилителем. Устройство содержит оптический датчик 1, элемент связи 2, ключи 3, 4, 6, 8, 9, 10, резисторы 5, 13, интегратор 7, логический блок 11, операционный усилитель 12, нуль-орган 14, генератор 15 тактовых импульсов, счетчики 16, 20, источник опорного напряжения 17, компаратор 18, источник порогового напряжения 19. 2 ил.

Description

Изобретение относится к электроизмерительной технике и может найти применение в устройствах преобразования формы информации.
Известны устройства для преобразования аналогового сигнала оптического датчика в цифровой код интегрирующего типа, в которых повышение точности осуществляется за счет снижения влияния паразитных аддитивных составляющих преобразуемого аналогового сигнала. Например, в устройстве [1] данный положительный эффект достигается посредством введения единичного инвертора, выполненного на базе операционного усилителя и реализующего совместно с интегратором функцию вычитания паразитной аддитивной составляющей сигнала. Однако неидеальность инвертирования, обусловленная качеством резисторов, используемых в единичном инверторе, а также погрешность масштабирования, вносимая масштабным усилителем, негативным образом сказываются на точности преобразования.
Наиболее близким по технической сущности к предложенному устройству является преобразователь аналогового сигнала оптического датчика в цифровой код [2] содержащий оптический датчик с выходом по напряжению, подключенный через масштабный усилитель к коммутируемым входам первого и второго ключей, операционный усилитель, к инверсному входу которого подсоединены два объединенные общим выводом резистора одного номинала, причем свободный вывод первого резистора подключен к выходу первого ключа и к коммутируемому входу третьего ключа, а свободный выход второго резистора подключен к выходу второго ключа и к коммутируемому входу четвертого ключа, выход операционного усилителя подсоединен к коммутируемому входу пятого ключа, выходы третьего, четвертого и пятого ключей соединены с входом интегратора и выходом шестого ключа, причем коммутируемый вход шестого ключа соединен с выходом первого источника опорного напряжения, а выход интегратора через нуль-орган с первым входом логического блока, второй вход логического блока соединен с выходом генератора тактовых импульсов, третий вход с выходом первого счетчика, вход которого, в свою очередь, подключен к первому выходу логического блока, второй выход логического блока подсоединен к управляющим входам первого и четвертого ключей, третий выход к управляющему входу шестого ключа, четвертый выход к управляющему входу пятого ключа, пятый выход через элемент связи к входу оптического датчика, а шестой выход к управляющим входам второго и третьего ключей, причем повышение точности преобразования достигается путем использования метода поочередного подключения резисторов во входную цепь обратной связи операционного усилителя единичного инвертора в процессе преобразования посредством организации фиксированных моментов взаимной коммутации указанных резисторов и с подавлением благодаря этому в определенные моменты времени паразитных аддитивных составляющих преобразуемого напряжения. Это устройство и выбрано в качестве прототипа.
В прототипе в отличие от известного устройства [1] значительно уменьшена погрешность инвертирования, обусловленная качеством резисторов, используемых в единичном инверторе, которая по отношению к аналогичной погрешности устройства [[1] составляет величину второго порядка малости, однако, как и в устройстве [1] присутствует нескомпенсированная погрешность масштабирования из-за неидеальности масштабного усилителя.
Необходимость применения масштабного усилителя в прототипе объясняется тем, что при фиксированном периоде накопления [0; T2] [2] и широком диапазоне величин сигнала от датчика, значения модуля накопленного на интеграторе напряжения может оказаться настолько малым, что погрешность нуль-органа будет недопустимо сказываться на точности определения момента времени T3 [2] обнуления интегратора и, как следствие, на точности результата преобразования в целом.
Масштабные усилители всегда обладают погрешностью, которая проявляется в отклонении реального коэффициента передачи от номинального. Так как подавляющее большинство масштабных усилителей строится на базе операционного усилителя с резисторами во входной цепи и в цепи обратной связи, то погрешность масштабирования в прототипе имеет ту же природу, что и погрешность инвертирования в устройстве [1]([3] с.19-20).
Недостатком прототипа является его невысокая точность, вызванная наличием погрешности масштабирования из-за неидеальности масштабного усилителя.
Заявляемое изобретение решает задачу повышения точности посредством устранения погрешности, вносимой масштабным усилителем, при сохранении компенсации аддитивных помех с повышенной точностью, свойственной прототипу.
Решение задачи достигается тем, что в устройстве для преобразования аналогового сигнала оптического датчика в цифровой код, содержащее оптический датчик с выходом по напряжению, операционный усилитель, к инверсному входу которого подсоединены два объединенные общим выводом резистора одного номинала, причем свободный вывод первого резистора подключен к выходу первого ключа и к коммутируемому входу третьего ключа, а свободный вывод второго резистора подключен к выходу второго ключа и к коммутируемому входу четвертого ключа, выход операционного усилителя подсоединен к коммутируемому входу пятого ключа, выходы третьего, четвертого и пятого ключей соединены с входом интегратора и выходом шестого ключа, причем коммутируемый вход шестого ключа соединен с выходом первого источника опорного напряжения, а выход интегратора через нуль-орган с первым входом логического блока, второй вход логического блока соединен с выходом генератора тактовых импульсов, третий вход с выходом первого счетчика, вход которого, в свою очередь, подключен к первому выходу логического блока, второй выход логического блока подсоединен к управляющим входам первого и четвертого ключей, третий выход к управляющему входу шестого ключа, четвертый выход к управляющему входу пятого ключа, пятый выход через элемент связи к входу оптического датчика, а шестой выход к управляющим входам второго и третьего ключей. Дополнительно введены компаратор, источник порогового напряжения и второй счетчик, причем первый вход компаратора соединен с выходом интегратора, второй вход с выходом источника порогового напряжения, выход компаратора соединен с четвертым входом логического блока, седьмой выход которого подключен к входу второго счетчика, при этом из устройства исключается масштабный усилитель, а выход оптического датчика соединен с коммутируемыми входами первого и второго ключей.
Сущность изобретения заключается в создании точного устройства для преобразования аналогового сигнала оптического датчика в цифровой код, осуществляющего масштабирование путем организации такого числа повторений интервалов накопления сигнала от датчика с компенсацией паразитных аддитивных составляющих, что напряжение, накопленное на интеграторе, по модулю превысит значение, при котором степень влияния погрешности нуль-органа на результат преобразования не будет превосходить заданную величину.
На фиг.1 представлена схема предлагаемого устройства для преобразования аналогового сигнала оптического датчика в цифровой код; на фиг.2 временные диаграммы заявляемого устройства.
Устройство для преобразования аналогового сигнала оптического датчика в цифровой код (далее просто устройство) содержит оптический датчик 2 с выходом по напряжению, операционный усилитель 12, к инверсному входу которого подсоединены два объединенные общим выводом резистора 5 и 13 одного номинала, причем свободный вывод первого резистора 5 подключен к выходу первого ключа 3 и к коммутируемому входу третьего ключа 6, а свободный вывод второго резистора 13 подключен к выходу второго ключа 4 и к коммутируемому входу четвертого ключа 10. Выход операционного усилителя 12 подсоединен к коммутируемому входу пятого ключа 9. Выходы третьего 6, четвертого 10 и пятого 9 ключей соединены с входом интегратора 7 и выходом шестого ключа 8, причем коммутируемый вход шестого ключа 8 соединен с выходом источника опорного напряжения 17, а выход интегратора 7 через нуль-орган 14 с первым входом логического блока 11. Второй вход логического блока 11 соединен с выходом генератора тактовых импульсов 15, третий вход с выходом первого счетчика 16, вход которого, в свою очередь, подключен к первому выходу логического блока 11. Второй выход логического блока 11 подсоединен к управляющим входам первого 3 и четвертого 10 ключей, третий выход к управляющему входу шестого ключа 8, четвертый выход к управляющему входу пятого ключа 9, пятый выход через элемент связи 2 к входу оптического датчика 1, а шестой выход к управляющим входам второго 4 и третьего 6 ключей.
Устройство также содержит компаратор 18, первый вход которого соединен с выходом интегратора 7, а второй вход с выходом источника порогового напряжения 19. Выход компаратора 18 соединен с четвертым входом логического блока 11, седьмой выход которого подключен к входу второго счетчика 20. Выход оптического датчика 1 подсоединен к коммутируемым входам первого 3 и второго 4 ключей.
Устройство работает следующим образом.
Пусть в начальный момент времени t=0 счетчики 16, 20 и интегратор 7 обнулены, а ключи 3, 4, 6, 8, 9 и 10 разомкнуты. В интервале времени
Figure 00000002
оптический датчик 1 установлен управляющим сигналом с пятого выхода логического блока 11 через элемент связи 2 в неактивное состояние, и на коммутируемых входах аналоговых ключей 3 и 4 присутствует паразитное напряжение u0, обусловленное помехой, наводимой в кабеле, связывающем оптический датчик 1 с этими ключами, а также темновой составляющей оптического датчика 1.
Аналоговые ключи 3, 4, 6, 8, 9 и 10 управляются сигналами с соответствующих выходов логического блока 11 так, что в интервале времени
Figure 00000003
ключи 3, 9, 10 замкнуты, а ключи 4, 6 и 8 разомкнуты. При этом напряжение u0 через замкнутый ключ 3 и резистор 5 поступает на инверсный вход операционного усилителя 12. Напряжение с выхода операционного усилителя 12 через замкнутый ключ 9 поступает на вход интегратора 7, а через замкнутый ключ 10 и резистор 13 на инверсный вход операционного усилителя 12.
При этом необходимо отметить, что ключи 6 и 10 должны быть двунаправленного действия. Таким образом, операционный усилитель 12 совместно с резисторами 5 и 13 образует инвертор напряжения, у которого резистор 5 находится во входной цепи, а резистор 13 в цепи обратной связи. Коэффициент передачи инвертора в рассматриваемом интервале времени определяется выражением
Figure 00000004

где R5 и R13 сопротивления резисторов 5 и 13.
Напряжение на входе интегратора 7
uo = Kи.1•uo. (2)
Приращение напряжения на выходе интегратора 7 за период
Figure 00000005

Figure 00000006

где τ постоянная времени интегратора 7.
В интервале времени
Figure 00000007
ключи 4, 6 и 9 замкнуты, а ключи 3, 8 и 10 разомкнуты под действием управляющих сигналов с выходов логического блока 11, синхронизируемого генератором тактовых импульсов 15. Напряжение с выхода оптического датчика 1 через замкнутый ключ 4 и резистор 13 поступает на инверсный вход операционного усилителя 12. Напряжение с выхода операционного усилителя 12 через замкнутый ключ 9 поступает на вход интегратора 7, а через замкнутый ключ 6 и резистор 5 на инверсный вход операционного усилителя 12. Таким образом, в интервале времени
Figure 00000008
между выходом оптического датчика 1 и входом интегратора 7 включен инвертор напряжения, у которого резистор 13 находится во входной цепи, а резистор 5 в цепи обратной связи. Коэффициент передачи инвертора с учетом произведенной коммутации резисторов 5 и 13
Figure 00000009

Напряжение на входе интегратора 7
u9 = Kи.2•uo. (5)
Приращение напряжения на выходе интегратора 7 в рассматриваемом интервале времени
Figure 00000010

В интервале времени [T1; T2] [0; T1] управляющий сигнал с вывода 5 логического блока 11 через элемент связи 2 активирует оптический датчик 1, с которого на входы ключей 3 и 4 поступает напряжение
uд=uс + u0, (7)
где uс напряжение полезного сигнала.
В этом же интервале [T1;T2] ключи 8 и 9 разомкнуты, а ключи 3, 4, 6 и 10 замкнуты управляющими сигналами логического блока 11. Напряжение uд через замкнутые ключи 3, 4, 6 и 10 поступает на вход интегратора 7. Приращение напряжения на выходе интегратора 7 в рассматриваемом интервале времени
Figure 00000011

Длительность интервалов
Figure 00000012
и [T1; T2] задается логическим блоком 11 путем подсчета количества тактовых импульсов на выходе генератора тактовых импульсов 15 посредством счетчика 16.
В момент времени T2 счетчик 20 инкрементируется под воздействием импульса, поступающего с седьмого логического блока 11. Напряжение на инверторе 7 сравнивается с напряжением (-Eп), задаваемым источником порогового напряжения 19 посредством компаратора 18, а результат сравнения с выхода компаратора 18 поступает на четвертый вход логического блока 11.
Если условие
Figure 00000013

не выполняется, то устройство последовательно повторяет все операции (кроме обнуления интегратора 7 и счетчика 20), производимые в интервале [0; T2] до тех пор, пока в некоторый момент времени TΣ = n•T2 не выполнится условие:
Figure 00000014

где n значение счетчика 20 (n целое число);
i номер повторения операций интервала [0; T2] причем самому интервалу [0; T2] соответствует i=0 (i- целое число);
Figure 00000015

приращение напряжения на выходе интегратора 7 за интервал
Figure 00000016
;
Figure 00000017

приращение напряжения на выходе интегратора 7 за интервал
Figure 00000018
;
Figure 00000019

приращение напряжения на выходе интегратора 7 за интервал [T1+ i•T2; N2+i•T2]
При этом напряжение на выходе интегратора 7
Figure 00000020

С момента времени TΣ = n•T2 ключи 3, 4, 6, 9 и 10 разомкнуты, ключ 8 замкнут, а счетчик 20 заблокирован под воздействием управляющих сигналов с выходов логического блока 11. Оптический датчик 1 переводится в неактивное состояние управляющим сигналом, поступающим с пятого выхода логического блока 11 через элемент связи 2. С выхода источника опорного напряжения 17 через замкнутый четвертый ключ 8 на вход интегратора 7 поступает напряжение (-E) обратного знака по отношению к напряжению сигнала оптического датчика 1 и интегрируется до момента T3 установления на выходе интегратора 7 нулевого напряжения. Это состояние регистрируется нуль-органом 14, с выхода которого в момент времени T3 передается сигнал на первый вход логического блока 11.
Приращение напряжения на выходе интегратора 7 в течение интервала времени [TΣ; T3]
Figure 00000021

В течение интервала времени [TΣ; T3] тактовые импульсы с выхода генератора тактовых импульсов 15, поступающие на второй вход логического блока 11, передаются с первого выхода логического блока 11 на вход счетчика 16. На этом цикл преобразования заканчивается.
Поскольку напряжение на выходе интегратора 7 в начале и в конце цикла преобразования равно нулю, то можно записать уравнение:
Figure 00000022

а с учетом (11) (16)
Figure 00000023

Допуская, что на примыкающих интервалах времени
Figure 00000024
и [T1 + i•T2; T2 + i•T2] средние значения напряжений u0 не меняются
Figure 00000025

и обозначив также
Figure 00000026

получим
Figure 00000027

С учетом [T1; T2] [0;T1]
Figure 00000028

Из соотношения (21) видно, что n значение счетчика 20, регистрирующее число реализаций интервала [0; Т2] на интервале [0; T] эквивалентно целочисленному масштабному коэффициенту, задаваемому (в прототипе) масштабным усилителем. Кроме того, в дополнение к усреднению по периодам [ T1+ i•T2; T2+i•T2] значения полезного сигнала усредняются и по числу реализаций интервала [0; T2] что усиливает положительный эффект предлагаемого изобретения.
Покажем, что предлагаемое устройство сохраняет полезное свойство прототипа, при котором погрешность инвертирования по отношению к инструментальной погрешности коэффициента передачи инвертора, обусловленной неравенством резисторов, используемых в единичном инверторе, составляет величину второго порядка малости.
Обозначим
Figure 00000029

среднее значение коэффициента передачи инвертора за период [0; T1]
Тогда
Figure 00000030

Коэффициенты передачи инвертора в периоды
Figure 00000031
являются взаимно обратными величинами:
Figure 00000032

где ΔKи = абсолютная инструментальная погрешность коэффициента передачи инвертора, обусловленная неравенством сопротивлений резисторов 5 и 13 из-за наличия допусков.
Среднее значение коэффициента передачи инвертора за период [i•T2; T1+ i•T2] с учетом (22) и (24)
Figure 00000033

Второе слагаемое соотношения (25) представляет собой отклонение среднего значения коэффициента передачи инвертора от -1 на интервале [i•T2; T1+ i•T2] или абсолютную погрешность инвертирования
Figure 00000034

При использовании обычных резисторов, применяемых в электроизмерительной технике и имеющих допуски 0,1-10,0% абсолютная инструментальная погрешность коэффициента передачи инвертора
ΔKи = -1•(δR13 - δR5), (27)
где δR5 и δR13 допуски резисторов 5 и 13 соответственно;
в наихудшем случае при δR5 = -δR13 = δR будет иметь значение ±(0,002-0,2), а знаменатель выражения (26) по модулю всегда будет больше 1. Следовательно, погрешность инвертирования
Figure 00000035
не превысит величину второго порядка малости от ΔKи для любого периода [i•T2; T1+ i•T2]
Выражение (23) с учетом (25) и (26) примет вид
Figure 00000036

Из (28) нетрудно видеть, что имеет место усреднение значений некомпенсированной помехи
Figure 00000037
по числу реализаций интервала [0; T2] что усиливает положительный эффект предлагаемого изобретения.
Таким образом, реализованный в предлагаемом устройстве способ масштабирования не предполагает использования дорогостоящих прецизионных элементов, ибо осуществляется путем организации дополнительных интервалов накопления сигнала от датчика, что технически реализовать значительно проще, чем прецизионный масштабный усилитель. Кроме того, в отличие от прототипа коэффициент масштабирования в заявляемом устройстве определяется непосредственно в процессе проведения преобразования, что не требует пробных измерений.
Источники информации
1. Авторское свидетельство СССР N 997246, кл.H 03 K 13/20, 1983.
2. Авторское свидетельство СССР N 1450110, кл. H 03 M 1/12, 1989 (прототип).
3. Гутников В.С. Интегральная электроника в измерительных устройствах. - М. Энергоатомиздат, 1988.

Claims (1)

  1. Устройство для преобразования аналогового сигнала оптического датчика в цифровой код, содержащее оптический датчик с выходом по напряжению, операционный усилитель, к инверсному входу которого подсоединены два объединенные общим выводом резистора одного номинала, причем свободный вывод первого резистора подключен к выходу первого ключа и коммутируемому входу третьего ключа, а свободный вывод второго резистора подключен к выходу второго ключа и коммутируемому входу четвертого ключа, выход операционного усилителя подсоединен к коммутируемому входу пятого ключа, выходы третьего, четвертого и пятого ключей соединены с входом интегратора и выходом шестого ключа, причем коммутируемый вход шестого ключа соединен с выходом первого источника опорного напряжения, а выход интегратора через нуль-орган с первым входом логического блока, второй вход логического блока соединен с выходом генератора тактовых импульсов, третий вход с выходом первого счетчика, вход которого, в свою очередь, подключен к первому выходу логического блока, второй выход логического блока подсоединен к управляющим входам первого и четвертого ключей, третий выход к управляющему входу шестого ключа, четвертый выход к управляющему входу пятого ключа, пятый выход через элемент связи к входу оптического датчика, а шестой выход к управляющим входам второго и третьего ключей, отличающееся тем, что дополнительно введены компаратор, источник порогового напряжения и второй счетчик, причем первый вход компаратора соединен с выходом интегратора, второй вход с выходом источника порогового напряжения, выход компаратора соединен с четвертым входом логического блока, седьмой выход которого подключен к входу второго счетчика, а выход оптического датчика подсоединен к коммутируемым входам первого и второго ключей.
RU95117294/09A 1995-10-12 1995-10-12 Устройство для преобразования аналогового сигнала оптического датчика в цифровой код RU2097915C1 (ru)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU95117294/09A RU2097915C1 (ru) 1995-10-12 1995-10-12 Устройство для преобразования аналогового сигнала оптического датчика в цифровой код

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU95117294/09A RU2097915C1 (ru) 1995-10-12 1995-10-12 Устройство для преобразования аналогового сигнала оптического датчика в цифровой код

Publications (2)

Publication Number Publication Date
RU95117294A RU95117294A (ru) 1997-11-10
RU2097915C1 true RU2097915C1 (ru) 1997-11-27

Family

ID=20172723

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU95117294/09A RU2097915C1 (ru) 1995-10-12 1995-10-12 Устройство для преобразования аналогового сигнала оптического датчика в цифровой код

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2097915C1 (ru)

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
1. SU, авторское свидетельство, 997246, кл. H 03 M 1/52, 1983. 2. SU, авторское свидетельство, 1450110, кл. H 03 M 1/12, 1989. *

Similar Documents

Publication Publication Date Title
RU2097915C1 (ru) Устройство для преобразования аналогового сигнала оптического датчика в цифровой код
SU953590A1 (ru) Преобразователь фазового сдвига в напр жение
CN1190666C (zh) 射频功率测量
SU1587633A1 (ru) Преобразователь аналогового сигнала в частоту с импульсной обратной св зью
SU631838A1 (ru) Частотомер
RU2018137C1 (ru) Измерительный преобразователь напряжения во временной интервал
SU1697265A1 (ru) Аналого-цифровой преобразователь
SU1550434A1 (ru) Устройство дл измерени частоты
SU1364999A1 (ru) Устройство дл измерени параметров R @ С @ двухполюсников,вход щих в состав трехполюсной замкнутой электрической цепи
RU2017161C1 (ru) Устройство для измерения электрических параметров
SU1225014A1 (ru) Устройство аналого-цифрового преобразовани узкополосных сигналов
SU864553A1 (ru) Преобразователь код-напр жение
KR930007788Y1 (ko) 두 신호간의 시간측정장치
SU798631A1 (ru) Способ измерени составл ющихКОМплЕКСНыХ СОпРОТиВлЕНий
RU1812516C (ru) Адаптивное устройство измерени частоты
SU1029095A1 (ru) След щий фазометр (его варианты)
SU1166010A1 (ru) Цифровой автокомпенсационный фазометр
SU900443A1 (ru) Аналого-цифровой преобразователь
SU1679407A1 (ru) Фазовый детектор
RU2207579C1 (ru) Цифровой фазометр
SU1275308A1 (ru) Преобразователь активной мощности в цифровой код
SU665401A1 (ru) Преобразователь интервалов времени в цифровой код
SU818006A1 (ru) Интегрирующий преобразователь на-пР жЕНи B иНТЕРВАл ВРЕМЕНи
SU1129528A1 (ru) Аналого-цифровой преобразователь
SU788026A1 (ru) Цифровой фазометр дл измерени среднего значени сдвига фаз

Legal Events

Date Code Title Description
QB4A Licence on use of patent

Effective date: 20060119

MM4A The patent is invalid due to non-payment of fees

Effective date: 20101013