RU2457617C1 - Integrating voltage analogue-to-digital conversion method - Google Patents

Integrating voltage analogue-to-digital conversion method Download PDF

Info

Publication number
RU2457617C1
RU2457617C1 RU2011132742/08A RU2011132742A RU2457617C1 RU 2457617 C1 RU2457617 C1 RU 2457617C1 RU 2011132742/08 A RU2011132742/08 A RU 2011132742/08A RU 2011132742 A RU2011132742 A RU 2011132742A RU 2457617 C1 RU2457617 C1 RU 2457617C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
voltage
value
function
time
positive
Prior art date
Application number
RU2011132742/08A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Александр Валентинович Куц (RU)
Александр Валентинович Куц
Михаил Юрьевич Михеев (RU)
Михаил Юрьевич Михеев
Кирилл Юрьевич Пискаев (RU)
Кирилл Юрьевич Пискаев
Валерий Анатольевич Юрманов (RU)
Валерий Анатольевич Юрманов
Original Assignee
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Пензенская государственная технологическая академия"
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 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Пензенская государственная технологическая академия" filed Critical Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Пензенская государственная технологическая академия"
Priority to RU2011132742/08A priority Critical patent/RU2457617C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2457617C1 publication Critical patent/RU2457617C1/en

Links

Images

Landscapes

  • Analogue/Digital Conversion (AREA)

Abstract

FIELD: information technology.
SUBSTANCE: method is based on generating a sequence of conversion time cycles of fixed duration, in each of which three unfolding functions are generated; the informative time interval is selected and converted to a digital code, wherein to generate a first unfolding function from the moment in time corresponding to the beginning of each conversion cycle, the sum of the input voltage and the reference voltage of positive polarity is integrated and the current integral valve is subtracted from the positive threshold voltage; in order to generate a second unfolding function, the sum of the input voltage and the reference voltage of negative polarity is integrated and from the moment in time corresponding to the equality of values of the unfolding functions, the value of the unfolding function is recorded, which is equal to the value of the positive threshold voltage, and to generate a second unfolding function, the sum of the input voltage and the reference voltage of positive polarity is integrated, from the moment in time corresponding to the middle of each cycle of fixed duration a third unfolding function is generated via integration of the sum of the input voltage and the reference voltage of negative polarity and summation with the negative threshold voltage of the current integral value, and from the moment in time corresponding to equality of values of the second and third unfolding functions, the value of the third unfolding function is recorded, which is equal to the value of the negative threshold voltage; the duration of informative time intervals is defined as the difference between time intervals for integrating reference voltages of positive and negative polarity, respectively.
EFFECT: faster operation.
4 dwg

Description

Изобретение относится к электроизмерительной технике. Цель изобретения - повышение быстродействия.The invention relates to electrical engineering. The purpose of the invention is improving performance.

Известны способы интегрирующего аналого-цифрового преобразования напряжения: патент ФРГ №2214602, кл. G01R 19/26, 04.09.75; Орнатский П.П. Автоматические измерения и приборы. Киев: Вища школа, 1973, с.435-437. В данных способах имеют место пропуски информации о входном напряжении.Known methods for integrating analog-to-digital voltage conversion: Germany patent No. 2214602, class. G01R 19/26, 09/04/75; Ornatsky P.P. Automatic measurements and instruments. Kiev: Vishka School, 1973, p. 435-437. In these methods, gaps in the input voltage information take place.

Среди всех способов, осуществляющих аналого-цифровое преобразование без пропусков информации и представленных в статье Шахов Э.К., Ашанин В.Н., Надев А.И. «Реализация концепций ΔΣ-АЦП в интегрирующих АЦП с другими видами импульсной модуляции» / Известия высших учебных заведений (Поволжский регион). Пенза: ПГУ, 2006, №6, С.226-237, наиболее близким является способ интегрирующего аналого-цифрового преобразования напряжения, представленный на Фиг.1 (временная диаграмма, поясняющая рассматриваемый способ). На Фиг.2 показана структурная схема устройства для его осуществления.Among all the methods that perform analog-to-digital conversion without omissions of information and presented in the article, Shakhov E.K., Ashanin V.N., Nadev A.I. “Implementation of ΔΣ-ADC concepts in integrating ADCs with other types of pulse modulation” / News of higher educational institutions (Volga region). Penza: CCP, 2006, No. 6, S.226-237, the closest is the method of integrating analog-to-digital voltage conversion, shown in Figure 1 (a timing diagram explaining the method under consideration). Figure 2 shows a structural diagram of a device for its implementation.

Данный способ интегрирующего аналого-цифрового преобразования основан на формировании последовательности временных тактов преобразования фиксированной длительности, в каждом из которых формируют две развертывающие функции, выделяют информативный интервал времени и преобразуют информативные интервалы времени в цифровой код, причем для формирования первой развертывающей функции с момента времени, соответствующего началу каждого такта преобразования, осуществляют интегрирование суммы входного напряжения и опорного напряжения положительной полярности и вычитание из положительного порогового напряжения текущего интегрального значения, а для формирования второй развертывающей функции осуществляют интегрирование суммы входного напряжения и опорного напряжения отрицательной полярности и с момента времени, соответствующего равенству значений развертывающих функций, фиксируют значение первой развертывающей функции равным значению положительного порогового напряжения, а для формирования второй развертывающей функции осуществляют интегрирование суммы входного напряжения и опорного напряжения положительной полярности, длительность информативных интервалов времени определяют как разность интервалов времени интегрирования опорных напряжений положительной и отрицательной полярности соответственно.This method of integrating analog-to-digital conversion is based on the formation of a sequence of time periods of conversion of a fixed duration, in each of which two development functions are formed, an informative time interval is allocated and informative time intervals are converted into a digital code, moreover, for the formation of the first development function from the time moment corresponding the beginning of each conversion cycle, integrate the sum of the input voltage and the reference voltage of positive polarity and subtracting the current integral value from the positive threshold voltage, and to form a second deployment function, integrate the sum of the input voltage and the reference voltage of negative polarity and, from the moment of time corresponding to the equality of the values of the deployment functions, fix the value of the first development function to the value of the positive threshold voltage, and for the formation of the second deployment function, integrate the sum of the input th reference voltage and the voltage of positive polarity, duration of time intervals informative defined as the difference integration time intervals of the reference voltages of the positive and negative polarity, respectively.

В соответствии с Фиг.1 R1(t) - первая развертывающая функция, R2(t) - вторая развертывающая функция. В т. A[i] значения первой и второй развертывающих функции равны R1(t)=R2(t). На Фиг.1 показан случай изменения входного напряжения от нулевого значения до значения Ux, выделены моменты переключений значений опорных напряжений (+U0) и (-U0): T1[1]…T1[4] - интервалы времени от начала временного такта преобразования фиксированной длительности (равной T0) до момента времени равенства первой и второй развертывающей функции, T2[1]…T2[4] - интервалы времени от момента времени равенства первой и второй развертывающей функции до момента времени начала следующего временного такта преобразования фиксированной длительности. Длительность информативных интервалов ΔT времени определяют как разность интервалов T2[i], T1[i] времени интегрирования опорных напряжений положительной и отрицательной полярности соответственно (ΔT=T2[i]-T1[i], где i - номер временного такта преобразования фиксированной длительности). Рассмотрим данный способ на примере устройства, осуществляющего измерение постоянного напряжения.In accordance with Figure 1, R 1 (t) is the first deployment function, R 2 (t) is the second deployment function. In volume A [i], the values of the first and second expanding functions are equal to R 1 (t) = R 2 (t). Figure 1 shows the case of changing the input voltage from zero to a value of U x , highlighted moments of switching the values of the reference voltages (+ U 0 ) and (-U 0 ): T 1 [1] ... T 1 [4] - time intervals from the beginning of the time step of converting a fixed duration (equal to T 0 ) to the time instant of equality of the first and second developing functions, T 2 [1] ... T 2 [4] - time intervals from the time of equality of the first and second developing functions to the time of the beginning of the next temporary fixed duration conversion cycle. The duration of informative time intervals ΔT is defined as the difference between the intervals T 2 [i], T 1 [i] of the integration time of the reference voltages of positive and negative polarity, respectively (ΔT = T 2 [i] -T 1 [i], where i is the number of time cycle fixed duration conversions). Consider this method on the example of a device that measures DC voltage.

Устройство, показанное на Фиг.2, содержит основной 1 и вспомогательный 2 интеграторы, управляемый переключатель 3 опорных напряжений, компаратор 4, операционный усилитель 5, формирователь 6 порогового уровня, источник опорного напряжения 7 (ИОН), генератор 8 опорной частоты (ГОЧ), устройство 9 управления, управляемый ключ 10 и вычислительное устройство 11 (ВУ). Причем выход переключателя 3 соединен с входом 1 основного интегратора 1, а его входы с источником опорного напряжения 7 и УУ 9; на вход 2 основного интегратора 1 и на вход 1 вспомогательного интегратора 2 подается входное напряжение; на вход 2 вспомогательного 2 интегратора постоянно подается положительное опорное напряжение с источника опорного напряжения 7; выходы основного и вспомогательного интеграторов соединены соответственно с входами 1 и 2 компаратора 4, который подает сигнал управления на вход 1 УУ 9; УУ 9 управляет работой переключателя 3, ключа 10 и ВУ 11; на вход 2 УУ 9 и вход 1 ВУ 11 подается опорная частота с ГОЧ 8; выход ОУ 5 через ключ 10 соединен с входом 3 интегратора 2; формирователь 6 порогового уровня подает величину порогового напряжения на вход 2 операционного усилителя 5.The device shown in figure 2, contains the main 1 and auxiliary 2 integrators, a controlled switch 3 of the reference voltage, a comparator 4, an operational amplifier 5, a driver 6 of the threshold level, the source of the reference voltage 7 (ION), the generator 8 of the reference frequency (GOCH), a control device 9, a controlled key 10, and a computing device 11 (WU). Moreover, the output of the switch 3 is connected to the input 1 of the main integrator 1, and its inputs to the source of the reference voltage 7 and UU 9; input 2 is supplied to input 2 of the main integrator 1 and to input 1 of the auxiliary integrator 2; the input 2 of the auxiliary 2 integrator is constantly supplied with a positive reference voltage from a reference voltage source 7; the outputs of the main and auxiliary integrators are connected respectively to the inputs 1 and 2 of the comparator 4, which supplies a control signal to the input 1 of the UU 9; UU 9 controls the operation of the switch 3, key 10 and VU 11; at the input 2 of the UU 9 and the input 1 of the VU 11 is the reference frequency with GOCH 8; the output of the OS 5 through the key 10 is connected to the input 3 of the integrator 2; the threshold level driver 6 supplies the threshold voltage value to the input 2 of the operational amplifier 5.

Развертывающая функция R2(t) формируется интегратором 1, а развертывающая функция R1(t) - интегратором 2. Момент равенства развертывающих функций (т.A) фиксируется компаратором 4. В этот же момент (т.A) интегратор 2 через ключ 10 охватывается обратной связью и значение развертывающей функции R1(t) становится равным пороговому напряжению Un. Полярность опорного напряжения U0 переключается в начале каждого такта преобразования фиксированной длительности T0, а также в моменты срабатывания компаратора 4.The expanding function R 2 (t) is generated by integrator 1, and the expanding function R 1 (t) is formed by integrator 2. The moment of equality of the developing functions (t. A) is fixed by comparator 4. At the same moment (t. A), the integrator 2 through key 10 covered by feedback and the value of the deployment function R 1 (t) becomes equal to the threshold voltage U n . The polarity of the reference voltage U 0 is switched at the beginning of each conversion step of a fixed duration T 0 , as well as at the times of the comparator 4.

Генератором 8 опорной частоты формируется последовательность временных тактов преобразования фиксированной длительности T0, в каждом из которых формируются две развертывающие функции. Первая развертывающая функция R1(t) формируется интегратором 2 и операционным усилителем 5 следующим образом: с начала такта преобразования фиксированной длительности значения R1(t) формируются путем вычитания из положительного порогового напряжения UП текущего интегрального значения суммы входного Ux и опорного U0 напряжений; с момента равенства развертывающих функций (т.A), фиксируемого компаратором 4, R1(t) устанавливается равной UП до конца текущего такта Т0 за счет замыкания ключа 10. Вторая развертывающая функция R2(t) формируется интегратором 1 путем интегрирования разности входного Ux и опорного U0 напряжений с начала такта преобразования фиксированной длительности Т0 до момента равенства развертывающих функций (т.A) и интегрирования суммы входного Ux и опорного U0 напряжений от т.A и до конца текущего такта Т0 за счет подключения отрицательного или положительного опорного напряжений источника 7 с помощью ключа 3 в моменты времени начала очередного текущего такта Т0 или срабатывания компаратора 4 соответственно. Длительность информативных интервалов времени ΔT0 определяют в вычислительном устройстве 11 как разность интервалов времени (T1[i] и T2[i]) интегрирования опорных напряжений положительной и отрицательной полярности в процессе формирования второй развертывающей функции соответственно.The reference frequency generator 8 generates a sequence of time conversion clock cycles of a fixed duration T 0 , in each of which two development functions are formed. The first expanding function R 1 (t) is formed by the integrator 2 and operational amplifier 5 as follows: from the beginning of the conversion cycle of a fixed duration, the values of R 1 (t) are formed by subtracting from the positive threshold voltage U P the current integral value of the sum of the input U x and the reference U 0 stresses; from the moment of the equality of the deployment functions (T.A) fixed by the comparator 4, R 1 (t) is set equal to U П until the end of the current measure T 0 due to the closure of the key 10. The second expansion function R 2 (t) is formed by the integrator 1 by integrating the difference input U x and reference U 0 voltages from the beginning of the conversion cycle of a fixed duration T 0 until the equality of the deploying functions (t. A) and integration of the sum of the input U x and reference U 0 voltages from t. A and to the end of the current cycle T 0 due to connecting negative or positive Nogo reference voltage source 7 via the key 3 times in the beginning of the next cycle T 0 of the current or the response of the comparator 4, respectively. The duration of the informative time intervals ΔT 0 is determined in the computing device 11 as the difference of the time intervals (T 1 [i] and T 2 [i]) of the integration of the reference voltages of positive and negative polarity in the process of forming the second deployment function, respectively.

Основной недостаток данного способа и, следовательно, устройства заключается в наличии переходного процесса при изменении входного напряжения (см. Шахов Э.К., Ашанин В.Н., Надев А.И. «Реализация концепций ΔΣ-АЦП в интегрирующих АЦП с другими видами импульсной модуляции» / Известия высших учебных заведений (Поволжский регион). Пенза: ПГУ, 2006, №6 С.226-237).The main disadvantage of this method and, therefore, the device is the presence of a transient process when the input voltage changes (see Shakhov E.K., Ashanin V.N., Nadev A.I. “Implementation of ΔΣ-ADC concepts in integrating ADCs with other types pulse modulation "/ News of higher educational institutions (Volga region). Penza: PSU, 2006, No. 6 S.226-237).

В установившемся режиме Ux=const значения UB[i] развертывающей функции R2(t) в точках B(i) равны, т.е. UB[i-1]=UB[i] и T1[i-1]=T1[i] и T2[i-1]=T2[i]. Из уравнения для второй развертывающей функции R2(t)In the steady state U x = const, the values of U B [i] of the developing function R 2 (t) at the points B (i) are equal, i.e. U B [i-1] = U B [i] and T 1 [i-1] = T 1 [i] and T 2 [i-1] = T 2 [i]. From the equation for the second expanding function R 2 (t)

Figure 00000001
Figure 00000001

найдем функцию преобразования:find the conversion function:

Figure 00000002
Figure 00000002

где

Figure 00000003
Figure 00000004
Figure 00000005
- интервал преобразования,
Figure 00000006
, n - количество тактов преобразования фиксированной длительности, τ - постоянная времени интеграторов. Полученное значение
Figure 00000007
Where
Figure 00000003
Figure 00000004
Figure 00000005
- conversion interval,
Figure 00000006
, n is the number of conversion steps of a fixed duration, τ is the time constant of integrators. Value obtained
Figure 00000007

преобразуется в цифровой код в ВУ 11.converted to digital code in WU 11.

Переходной процесс на временных диаграммах сформирован подключением на вход устройства в случайный момент времени стандартного воздействия в виде скачка напряжения. Видно, что точки A[0], A[1], A[2], A[3], определяющие момент переключения полярности опорного напряжения, т.е. длительность информативных интервалов времени, меняют свое положение в каждом такте преобразования фиксированной длительности T0. Длительность переходного процесса составляет два такта преобразования фиксированной длительности T0. Таким образом, только в 3-м такте (т.A[3]) результат преобразования будет соответствовать входному напряжению.The transient in the time diagrams is formed by connecting to the input of the device at a random moment of time the standard effect in the form of a voltage surge. It can be seen that the points A [0], A [1], A [2], A [3], which determine the moment of switching the polarity of the reference voltage, i.e. the duration of informative time intervals, change their position in each step of the conversion of a fixed duration T 0 . The duration of the transition process is two cycles of conversion of a fixed duration T 0 . Thus, only in the 3rd step (T. A [3]) the conversion result will correspond to the input voltage.

Для подтверждения данного недостатка найдем значения информативного интервала ΔT[i] (i - номер текущего цикла преобразования) в 0, 1, 2 и 3-м тактах преобразования. Значения UB[i] найдем из уравненияTo confirm this drawback, we find the values of the informative interval ΔT [i] (i is the number of the current conversion cycle) in the 0, 1, 2, and 3 conversion clock cycles. The values of U B [i] we find from the equation

Figure 00000008
Figure 00000008

где t - текущее время в течение интервала фиксированной длительности T0, τ - постоянная времени интеграторов 1 и 2 (поскольку постоянные времени интеграторов 1 и 2 являются константами, следовательно, не оказывают влияния на длительность переходного процесса, для упрощения расчетов можем считать R1=R2=R3=R4=R, C1=C2=C и τ=RC). Также на временных диаграммах Фиг.1 для определенности принято UП=U0 и 2τ=Т0.where t is the current time during a fixed-duration interval T 0 , τ is the time constant of integrators 1 and 2 (since the time constants of integrators 1 and 2 are constants, therefore, they do not affect the duration of the transient process, to simplify the calculations, we can assume that R 1 = R 2 = R 3 = R 4 = R, C 1 = C 2 = C and τ = RC). Also in the time diagrams of FIG. 1, for definiteness, U P = U 0 and 2τ = T 0 .

Из формулы (2) следует, что

Figure 00000009
From formula (2) it follows that
Figure 00000009

Значения UB[2], UB[3] и UB[4] найдем аналогично из формулы (2).The values of U B [2], U B [3] and U B [4] will be found similarly from formula (2).

Поскольку изменение Ux происходит в случайный момент времени, обозначим интервал времени от начала такта преобразования фиксированной длительности Т0 до момента изменения Ux через Δt, тогда: Δt=kT0, где 0≤k≤1.Since the change in U x occurs at a random time, we denote the time interval from the beginning of the conversion step of a fixed duration T 0 to the moment of change of U x by Δt, then: Δt = kT 0 , where 0≤k≤1.

Найдем значение UB[2]:Find the value of U B [2]:

Figure 00000010
Figure 00000010

Начиная с 3-го такта, k=0, поэтому значения UB[3] и UB[4] будут равны UB[3]=UB[4]=2UX-U0.Starting from the 3rd step, k = 0, so the values of U B [3] and U B [4] will be equal to U B [3] = U B [4] = 2U X -U 0 .

Для т.A можно записать следующее равенство развертывающих функций:For T.A, we can write the following equality of the deploying functions:

R1(T1[i])=R2(T1[i]).R 1 (T 1 [i]) = R 2 (T 1 [i]).

Или в развернутом виде:

Figure 00000011
.Or in expanded form:
Figure 00000011
.

Отсюда выразим From here we express

Figure 00000012
Figure 00000012

Найдем значение интервала ΔT0=T1[i]-T2[i]. Учитывая, что T2[i]=T0-T1[i]), получаемFind the value of the interval ΔT 0 = T 1 [i] -T 2 [i]. Given that T 2 [i] = T 0 -T 1 [i]), we obtain

ΔT0=T1[i]-T0+T1[i]=2T1[i]-T0.ΔT 0 = T 1 [i] -T 0 + T 1 [i] = 2T 1 [i] -T 0 .

Так как T0=const, Un=const, то при T1[i]=const для Ux=const переходный процесс заканчивается, т.е. при UB[3]=UB[4] получаем T1[3]=T1[4].Since T 0 = const, U n = const, then at T 1 [i] = const for U x = const the transition process ends, ie when U B [3] = U B [4] we get T 1 [3] = T 1 [4].

Следовательно, длительность переходного процесса составляет 2 такта: скачок напряжения Ux произошел в 1-ом такте, а правильный результат преобразования получен в 3-м такте, что ограничивает быстродействие данного преобразователя (описанного в способе-прототипе).Therefore, the duration of the transition process is 2 cycles: a voltage jump U x occurred in the 1st cycle, and the correct conversion result was obtained in the 3rd cycle, which limits the speed of this converter (described in the prototype method).

С целью повышения быстродействия в способ интегрирующего аналого-цифрового преобразования, основанный на формировании последовательности временных тактов преобразования фиксированной длительности, в каждом из которых формируют две развертывающие функции, выделяют информативный интервал времени и преобразуют информативные интервалы времени в цифровой код, причем для формирования первой развертывающей функции с момента времени, соответствующего началу каждого такта преобразования, осуществляют интегрирование суммы входного напряжения и опорного напряжения положительной полярности и вычитание из положительного порогового напряжения текущего интегрального значения, а для формирования второй развертывающей функции осуществляют интегрирование суммы входного напряжения и опорного напряжения отрицательной полярности, и с момента времени, соответствующего равенству значений развертывающих функций, фиксируют значение первой развертывающей функции равным значению положительного порогового напряжения, а для формирования второй развертывающей функции осуществляют интегрирование суммы входного напряжения и опорного напряжения положительной полярности, длительность информативных интервалов времени определяют как разность интервалов времени интегрирования опорных напряжений положительной и отрицательной полярности соответственно, дополнительно в процессе преобразования формируют третью развертывающую функцию, для этого с момента времени, соответствующего середине каждого такта фиксированной длительности, осуществляют интегрирование суммы входного напряжения и опорного напряжения отрицательной полярности и суммирование с отрицательным пороговым напряжением текущего интегрального значения, а с момента времени, соответствующего равенству значений второй и третьей развертывающих функций, фиксируют значение третьей развертывающей функции равным значению отрицательного порогового напряжения, а вторую развертывающую функцию формируют путем интегрирования суммы входного напряжения и опорного напряжения отрицательной полярности.In order to improve performance, a method of integrating analog-to-digital conversion, based on the formation of a sequence of time periods of conversion of a fixed duration, in each of which two development functions are formed, allocate an informative time interval and convert informative time intervals to digital code, moreover, to form the first deployment function from the moment of time corresponding to the beginning of each conversion step, integrate the sum of the input voltage voltage and the reference voltage of positive polarity and subtracting the current integral value from the positive threshold voltage, and to form the second development function, the sum of the input voltage and the reference voltage of negative polarity is integrated, and from the moment of time corresponding to the equality of the values of the development functions, the value of the first development function is fixed equal to the value of the positive threshold voltage, and for the formation of the second developing function, integration of the sum of the input voltage and the reference voltage of positive polarity, the duration of the informative time intervals is determined as the difference between the time intervals of the integration of the reference voltages of positive and negative polarity, respectively, additionally, during the conversion process, they form a third deployment function, for this from the moment corresponding to the middle of each clock cycle of a fixed duration integrate the sum of the input voltage and the reference voltage of negative polarity and summing with a negative threshold voltage the current integral value, and from the moment of time corresponding to the equality of the values of the second and third development functions, fix the value of the third development function to the value of the negative threshold voltage, and the second development function is formed by integrating the sum of the input voltage and the reference voltage negative polarity.

Временные диаграммы, поясняющие работу предлагаемого способа, приведены на Фиг.3, где R1(t) - первая развертывающая функция, R2(t) - вторая развертывающая функция, R3(t) - третья развертывающая функция. В точках A[0] …A[n] значения первой и второй развертывающих функций равны (R1(t)=R2(t)), в точках B[0]…В[n] значения второй и третьей развертывающих функций равны (R2(t)=R3(t)). В верхней части Фиг.3 показаны моменты переключения значений опорного напряжения U0/-U0. T1[1]…T1[n] - интервалы времени от начала временного такта преобразования фиксированной длительности до момента времени равенства первой и второй развертывающей функции. Т2[1]…Т2[n] - интервалы времени от момента времени, равного середине интервала времени такта преобразования фиксированной длительности до момента времени равенства второй и третьей развертывающей функции, n - количество тактов преобразования фиксированной длительности, входящих в интервал преобразования Tn.Timing diagrams explaining the operation of the proposed method are shown in FIG. 3, where R 1 (t) is the first deployment function, R 2 (t) is the second deployment function, R 3 (t) is the third deployment function. At points A [0] ... A [n], the values of the first and second developing functions are equal (R 1 (t) = R 2 (t)), at points B [0] ... At [n] the values of the second and third developing functions are equal (R 2 (t) = R 3 (t)). In the upper part of Figure 3 shows the moments of switching the values of the reference voltage U 0 / -U 0 . T 1 [1] ... T 1 [n] - time intervals from the beginning of the time step of the conversion of a fixed duration to the time of equality of the first and second developing functions. T 2 [1] ... T 2 [n] - time intervals from the time instant equal to the middle of the time interval of the conversion clock cycle of a fixed duration to the time of equality of the second and third developing functions, n is the number of conversion clock cycles of a fixed duration included in the conversion interval T n .

Устройство, реализующее предложенный способ и показанное на Фиг.4, содержит основной 1 и вспомогательные 2, 12 интеграторы, управляемый переключатель 3 опорных напряжений +U0 и -U0, компараторов 4, 14, операционных усилителей 5, 15, формирователей порогового уровня 6, 16, источника опорного напряжения 7 (ИОН), генератора 8 опорной частоты (ГОЧ), управляемых ключей 10, 13 и вычислительного устройства 11 (ВУ). Причем выход переключателя 3 соединен с входом 1 основного интегратора 1, а его входы с источником опорного напряжения 7 и УУ 9. На вход 2 основного интегратора 1 подается входной (измеряемый) сигнал. На вход 1 вспомогательных интеграторов 2 и 12 постоянно подается входное напряжение и на вход 2 вспомогательного интегратора 2 постоянно подается отрицательное опорное напряжение -U0 с ИОН 7, а на вход 2 вспомогательного интегратора 12 положительное опорное напряжение +U0 с ИОН 7. Выходы основного 1 и вспомогательного 2 интеграторов соединены соответственно с входами 1 и 2 компаратора 4, который соединен с входом 1 УУ 9. Выходы основного 1 и вспомогательного 12 интеграторов соединены соответственно с входами 1 и 2 компаратора 14, который соединен с входом 3 УУ 9. На вход 1 аналоговых сумматоров 18 и 19 подаются выходные напряжения с вспомогательных 2 и 12 интеграторов соответственно. Выходное напряжение с аналогового сумматора 18 подается на операционный усилитель 5, а с аналогового сумматора 19 подается на операционный усилитель 15. Операционные усилители 5 и 15 подключены к входам 2 компараторов 4, 14. На вход 2 УУ 9 и на вход 1 ВУ 11 подаются импульсы опорной частоты с ГОЧ 8. Вход 2 УУ 9 управляет работой переключателя 3, ключей 10, 13 и ВУ 11.A device that implements the proposed method and shown in Figure 4, contains the main 1 and auxiliary 2, 12 integrators, a controlled switch 3 of the reference voltage + U 0 and -U 0 , comparators 4, 14, operational amplifiers 5, 15, threshold level drivers 6 , 16, a reference voltage source 7 (ION), a reference frequency generator (GFC) 8, controlled keys 10, 13, and computing device 11 (WU). Moreover, the output of switch 3 is connected to the input 1 of the main integrator 1, and its inputs to the source of the reference voltage 7 and UU 9. At the input 2 of the main integrator 1, an input (measured) signal is supplied. The input voltage is constantly supplied to the input 1 of the auxiliary integrators 2 and 12 and the negative reference voltage -U 0 with ION 7 is constantly supplied to the input 2 of the auxiliary integrator 2, and the positive reference voltage + U 0 with ION 7 is input 2 of the auxiliary integrator 12 1 and auxiliary 2 integrators are connected respectively to the inputs 1 and 2 of the comparator 4, which is connected to the input 1 of the control unit 9. The outputs of the main 1 and auxiliary 12 integrators are connected respectively to the inputs 1 and 2 of the comparator 14, which is connected to the input ohm 3 UU 9. At the input 1 of the analog adders 18 and 19, output voltages from the auxiliary 2 and 12 integrators are supplied, respectively. The output voltage from the analog adder 18 is supplied to the operational amplifier 5, and from the analog adder 19 is supplied to the operational amplifier 15. Operational amplifiers 5 and 15 are connected to the inputs 2 of the comparators 4, 14. Pulses are fed to the input 2 of the UU 9 and to the input 1 of the VU 11 reference frequency with GOCH 8. Input 2 UU 9 controls the operation of switch 3, keys 10, 13 and VU 11.

Работа устройства осуществляется следующим образом. Как и в устройстве, реализующем способ-прототип, генератором 8 опорной частоты формируется последовательность временных тактов преобразования фиксированной длительности Т0. Первая развертывающая функция R1(t) формируется интегратором 2, вторая развертывающая функция R2(t) формируется интегратором 1, третья развертывающая функция R3(t) формируется интегратором 12. На интервале времени от начала такта фиксированной длительности до момента равенства значений первой и второй развертывающих функций R1(t)=R2(t) т.A) значения R1(t) формируются путем вычитания из положительного порогового напряжения UП текущего интегрального значения суммы входного Ux и опорного U0 напряжений; значения R2(t) формируются как интегральные значения разности входного и опорного напряжений.The operation of the device is as follows. As in the device that implements the prototype method, a reference frequency generator 8 generates a sequence of conversion time steps of a fixed duration T 0 . The first developing function R 1 (t) is generated by integrator 2, the second developing function R 2 (t) is formed by integrator 1, the third developing function R 3 (t) is formed by integrator 12. On the time interval from the beginning of a measure of fixed duration to the moment of equal values of the first and the second expanding functions R 1 (t) = R 2 (t) t. A) the values of R 1 (t) are formed by subtracting from the positive threshold voltage U P the current integral value of the sum of the input voltage U x and the reference voltage U 0 ; the values of R 2 (t) are formed as integral values of the difference between the input and reference voltages.

Дополнительно, третья развертывающая функция R3(t) формируется интегратором 12 со значения, соответствующего -UП, и с момента времени, сдвинутого относительно начала формирования первой развертывающей функции на интервал времени длительностью

Figure 00000013
, как показано на Фиг.3. Момент равенства значений третьей и второй развертывающих функций фиксируется компаратором 14. На Фиг.3 эти моменты обозначены т.B [i], где i - номер такта фиксированной длительности. Значения напряжений, участвующих в формировании всех развертывающих функций, приведены на диаграмме.Additionally, the third deployment function R 3 (t) is generated by the integrator 12 from the value corresponding to -U P , and from the moment of time shifted relative to the beginning of the formation of the first deployment function for a time interval of duration
Figure 00000013
as shown in FIG. 3. The moment of equality of the values of the third and second developing functions is fixed by the comparator 14. In FIG. 3, these moments are indicated by T. B [i], where i is the measure number of a fixed duration. The stress values involved in the formation of all the deploying functions are shown in the diagram.

Результат преобразования определяется вычислительным устройством 11 путем вычисления и преобразования в цифровой вид значения

Figure 00000014
The result of the conversion is determined by the computing device 11 by calculating and digitizing the value
Figure 00000014

Условия установившегося режима: как в способе-прототипе значения напряжения UA[i] в точках A[i] равны (т.е. UA[i]=UA[i+1]=UA[n]) и дополнительно в точках B[i] UB[i]=UB[i+1]=UB[n], следовательно, в установившемся режиме интервал времени между точками A[i] и A[i+1] равен Т0; интервал между точками B[i] и B[i+1] также равен Т0 и T1[i]=T1[i+1]=T1[n], T2[i]=T2[i+1]=Т2[n]. Из уравнения формирования второй развертывающей функции R2(t) за интервал Т0 Steady-state conditions: as in the prototype method, the voltage values U A [i] at points A [i] are equal (ie, U A [i] = U A [i + 1] = U A [n]) and additionally at points B [i] U B [i] = U B [i + 1] = U B [n], therefore, in the steady state, the time interval between points A [i] and A [i + 1] is T 0 ; the interval between points B [i] and B [i + 1] is also equal to T 0 and T 1 [i] = T 1 [i + 1] = T 1 [n], T 2 [i] = T 2 [i + 1] = T 2 [n]. From the equation of formation of the second developing function R 2 (t) for the interval T 0

Ux+(T+[i]+T-[i])+U0(T+[i]-T-[i])=0U x + (T + [i] + T - [i]) + U 0 (T + [i] -T - [i]) = 0

можно найти выражение для результата преобразованияyou can find an expression for the conversion result

Figure 00000015
Figure 00000015

или

Figure 00000016
и
Figure 00000017
для интервала преобразования TП, где TП=nT0.or
Figure 00000016
and
Figure 00000017
for the transformation interval T P , where T P = nT 0 .

Аналогично, как в способе прототипе, рассмотрим скачкообразное изменение Ux в случайный момент времени. Обозначим интервал времени от начала такта преобразования фиксированной длительности Т0 до момента изменения Ux через Δt, тогда: Δt=kT0, где 0≤k≤1. Также будем считать, что UП=U0 и 2τ=Т0.Similarly, as in the method of the prototype, we consider the abrupt change in U x at a random point in time. Denote the time interval from the beginning of the conversion step of a fixed duration T 0 to the moment of change of U x through Δt, then: Δt = kT 0 , where 0≤k≤1. We will also assume that U P = U 0 and 2τ = T 0 .

Тогда значение напряжения в т.A [1] будет определяться выражением:Then the voltage value in T. A [1] will be determined by the expression:

UA[1]=UП-2(U0+Ux(1-k)).U A [1] = U P -2 (U 0 + U x (1-k)).

Из диаграммы Фиг.3 видно, что со второго такта k=0, и значения UA[2]=UA[3], a UB[2]=UB[3].From the diagram of FIG. 3 it can be seen that from the second step k = 0, and the values are U A [2] = U A [3], and U B [2] = U B [3].

Поэтому, начиная с интервала времени T1[2], процесс преобразования можно считать установившимся, следовательно, результат преобразования, начиная с этого интервала времени, должен определяться в соответствии с выражениями (1) - для способа-прототипа и (3) - для предлагаемого способа.Therefore, starting from the time interval T 1 [2], the conversion process can be considered steady, therefore, the result of the conversion, starting from this time interval, must be determined in accordance with the expressions (1) for the prototype method and (3) for the proposed way.

Таким образом, если скачок входного напряжения произошел между началом интервала T1[1] формирования R1(t) и началом интервала Т2[1] формирования R3(t), переходный процесс заканчивается до начала интервала T1[2], т.е. его длительность лежит в пределах от

Figure 00000018
до Т0 (как показано на Фиг.3), аналогично, если скачок входного напряжения произошел между началом интервала T2[1] формирования R3(t) и началом интервала T1[2] формирования R1(t), то переходный процесс закончится до начала интервала Т2[2] и также не превышает значения T0.Thus, if the input voltage jump occurred between the beginning of the interval T 1 [1] of the formation of R 1 (t) and the beginning of the interval of T 2 [1] of the formation of R 3 (t), the transition process ends before the start of the interval T 1 [2], t .e. its duration ranges from
Figure 00000018
to T 0 (as shown in FIG. 3), similarly, if the input voltage jump occurred between the beginning of the interval T 2 [1] of formation R 3 (t) and the beginning of the interval T 1 [2] of formation R 1 (t), then the transition the process will end before the beginning of the interval T 2 [2] and also does not exceed the value of T 0 .

Поскольку в способе-прототипе длительность переходного процесса составляет 2 такта фиксированной длительности T0, то при прочих равных условиях быстродействие предлагаемого способа как минимум в 2 раза выше.Since in the prototype method the duration of the transition process is 2 cycles of a fixed duration T 0 , ceteris paribus, the speed of the proposed method is at least 2 times higher.

Для подтверждения этого напишем уравнение для приращений второй развертывающей функции R2(t) на следующих интервалах времени:To confirm this, we write the equation for the increments of the second expanding function R 2 (t) at the following time intervals:

1) от начала T1[0] до начала T1[1]:1) from the beginning of T 1 [0] to the beginning of T 1 [1]:

Figure 00000019
Figure 00000019

Упростив, получаем:Simplifying, we get:

U0(T+[0]+T-[0]-T1[0]-T1[1])=0, как и следовало ожидать, поскольку Ux=0.U 0 (T + [0] + T - [0] -T 1 [0] -T 1 [1]) = 0, as expected, since U x = 0.

2) от начала T1[1] до начала T1[2] (присутствует скачок входного напряжения):2) from the beginning of T 1 [1] to the beginning of T 1 [2] (there is a jump in the input voltage):

Figure 00000020
Figure 00000020

Упростив, получаем:Simplifying, we get:

Figure 00000021
Figure 00000021

видно, что данное выражение отличается от выражения (3) для установившегося режима наличием kT0.it can be seen that this expression differs from expression (3) for the steady state by the presence of kT 0 .

3) от начала T1[2] до начала T1[3]3) from the beginning of T 1 [2] to the beginning of T 1 [3]

Figure 00000022
Figure 00000022

Упростив, получаем:Simplifying, we get:

Figure 00000023
Figure 00000023

Учитывая, что в установившемся режиме T1[2]=T1[3]=T1[i], получаем выражение:

Figure 00000024
, может быть переписано в общем виде:Given that in the steady state T 1 [2] = T 1 [3] = T 1 [i], we obtain the expression:
Figure 00000024
, can be rewritten in general form:

Figure 00000025
,что совпадает с выражением (3) для установившегося режима.
Figure 00000025
, which coincides with expression (3) for the steady state.

Таким образом, от момента изменения Ux до начала установившегося режима проходит интервал времени длительностью, не превышающей значения T0, что и требовалось доказать.Thus, from the moment U x changes to the beginning of the steady state, a time interval of duration not exceeding the value of T 0 passes, which was to be proved.

Источники информацииInformation sources

1. Патент ФРГ №2214602, кл. G01R 19/26, 04.09.75.1. The patent of Germany No. 2214602, class. G01R 19/26, 09/04/75.

2. Орнатский П.П. Автоматические измерения и приборы. Киев: Вища школа, 1973, с.435-437.2. Ornatsky P.P. Automatic measurements and instruments. Kiev: Vishka School, 1973, p. 435-437.

3. Шахов Э.К., Ашанин В.Н., Надев А.И. Реализация концепций ΔΣ-АЦП в интегрирующих АЦП с другими видами импульсной модуляции./Известия высших учебных заведений (Поволжский регион). Пенза: ПГУ, 2006, №6 С.226-237.3. Shakhov E.K., Ashanin V.N., Nadev A.I. Implementation of ΔΣ-ADC concepts in integrating ADCs with other types of pulse modulation. / News of higher education institutions (Volga region). Penza: PSU, 2006, No. 6 P.226-237.

Claims (1)

Способ интегрирующего аналого-цифрового преобразования основан на формировании последовательности временных тактов преобразования фиксированной длительности, в каждом из которых формируют две развертывающие функции, выделяют информативный интервал времени и преобразуют информативные интервалы времени в цифровой код, причем для формирования первой развертывающей функции с момента времени, соответствующего началу каждого такта преобразования, осуществляют интегрирование суммы входного напряжения и опорного напряжения положительной полярности и вычитание из положительного порогового напряжения текущего интегрального значения, а для формирования второй развертывающей функции осуществляют интегрирование суммы входного напряжения и опорного напряжения отрицательной полярности и с момента времени, соответствующего равенству значений развертывающих функций, фиксируют значение первой развертывающей функции равным значению положительного порогового напряжения, а для формирования второй развертывающей функции осуществляют интегрирование суммы входного напряжения и опорного напряжения положительной полярности, длительность информативных интервалов времени определяют как разность интервалов времени интегрирования опорных напряжений положительной и отрицательной полярности соответственно, отличающийся тем, что, с целью повышения быстродействия, формируют третью развертывающую функцию, для этого с момента времени соответствующего середине каждого такта фиксированной длительности осуществляют интегрирование суммы входного напряжения и опорного напряжения отрицательной полярности и суммирование с отрицательным пороговым напряжением текущего интегрального значения, с момента времени, соответствующего равенству значений второй и третьей развертывающих функций, фиксируют значение третьей развертывающей функции равным значению отрицательного порогового напряжения, а вторую развертывающую функцию формируют путем интегрирования суммы входного напряжения и опорного напряжения отрицательной полярности. The method of integrating analog-to-digital conversion is based on the formation of a sequence of time periods of conversion of a fixed duration, in each of which two development functions are formed, an informative time interval is allocated and informative time intervals are converted to a digital code, moreover, for the formation of the first development function from the time moment corresponding to the beginning each conversion clock, integrate the sum of the input voltage and the reference voltage of the positive polarity and subtracting the current integral value from the positive threshold voltage, and to form the second deployment function, the sum of the input voltage and the reference voltage of negative polarity is integrated, and from the moment of time corresponding to the equality of the values of the deployment functions, the value of the first deployment function is fixed to the value of the positive threshold voltage, and for the formation of the second deployment function, integrate the amount of input positive voltage and positive polarity reference voltage, the duration of informative time intervals is defined as the difference between the integration time intervals of the positive and negative polarity reference voltages, respectively, characterized in that, in order to increase the speed, they form a third deployment function, for this, from the moment of time corresponding to the middle of each measure fixed durations integrate the sum of the input voltage and the reference voltage of negative polarity and summing with a negative threshold voltage the current integral value, from the moment of time corresponding to the equality of the values of the second and third development functions, fix the value of the third development function to the value of the negative threshold voltage, and the second development function is formed by integrating the sum of the input voltage and the reference voltage of negative polarity.
RU2011132742/08A 2011-08-03 2011-08-03 Integrating voltage analogue-to-digital conversion method RU2457617C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2011132742/08A RU2457617C1 (en) 2011-08-03 2011-08-03 Integrating voltage analogue-to-digital conversion method

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2011132742/08A RU2457617C1 (en) 2011-08-03 2011-08-03 Integrating voltage analogue-to-digital conversion method

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2457617C1 true RU2457617C1 (en) 2012-07-27

Family

ID=46850871

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2011132742/08A RU2457617C1 (en) 2011-08-03 2011-08-03 Integrating voltage analogue-to-digital conversion method

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2457617C1 (en)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2725678C2 (en) * 2018-11-29 2020-07-03 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Пензенский государственный университет" (ФГБОУ "ПГУ") Integrating analogue-to-digital voltage converter

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
SU1438002A1 (en) * 1987-04-27 1988-11-15 Пензенский Политехнический Институт Method of intergrating a-d conversion
RU2292642C1 (en) * 2005-09-12 2007-01-27 Пензенский государственный университет (ПГУ) Method for integrating analog-to-digital voltage conversion
RU2294595C1 (en) * 2005-06-14 2007-02-27 Пензенский государственный университет (ПГУ) Method for integration analog-digital conversion of voltage

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
SU1438002A1 (en) * 1987-04-27 1988-11-15 Пензенский Политехнический Институт Method of intergrating a-d conversion
RU2294595C1 (en) * 2005-06-14 2007-02-27 Пензенский государственный университет (ПГУ) Method for integration analog-digital conversion of voltage
RU2292642C1 (en) * 2005-09-12 2007-01-27 Пензенский государственный университет (ПГУ) Method for integrating analog-to-digital voltage conversion

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2725678C2 (en) * 2018-11-29 2020-07-03 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Пензенский государственный университет" (ФГБОУ "ПГУ") Integrating analogue-to-digital voltage converter

Similar Documents

Publication Publication Date Title
RU2457617C1 (en) Integrating voltage analogue-to-digital conversion method
US4417234A (en) Multiplexed analog to digital converter having a feedback stabilized ramp
CN103688469B (en) The method and device of data conversion is performed using non-uniform quantizing
TW201822473A (en) Sigma delta modulator and signal conversion method thereof
JPH0974355A (en) Analog/digital converter
RU2602351C1 (en) Voltage-to-pulse frequency converter
RU74749U1 (en) SAMPLING AND STORAGE DEVICE
JP2012112873A (en) Frequency measurement circuit
JP5030817B2 (en) Voltage duty ratio conversion circuit
RU2619831C1 (en) Modular measuring transmitter
JP7338422B2 (en) A/D converter
RU2303327C1 (en) Integrated analog-to-digital converter operating process
JPWO2008129949A1 (en) AD converter
RU2089999C1 (en) Digital-to-analog converter
RU2291559C1 (en) Method for integrating analog-digital transformation of voltage
CN111181567A (en) Delta-sigma modulator, delta-sigma modulation type A/D converter, and delta-sigma modulation type A/D converter
RU2509337C1 (en) Method to control pulse voltage stabiliser
RU2595487C1 (en) Sample and hold device
RU2725678C2 (en) Integrating analogue-to-digital voltage converter
US8653997B2 (en) Modulator
JP2012088281A (en) Angular velocity sensor
SU879765A1 (en) Analogue-digital conversion method
RU2491715C1 (en) High-speed analogue-digital-analogue converter with non-clock bitwise balancing
SU567206A1 (en) Analogue-digital converter
RU2550591C1 (en) Integrating voltage analogue-to-digital conversion method

Legal Events

Date Code Title Description
MM4A The patent is invalid due to non-payment of fees

Effective date: 20130804