RU2785273C1 - Двухдиапазонный аналого-цифровой преобразователь с автоматическим переключением пределов - Google Patents
Двухдиапазонный аналого-цифровой преобразователь с автоматическим переключением пределов Download PDFInfo
- Publication number
- RU2785273C1 RU2785273C1 RU2021137974A RU2021137974A RU2785273C1 RU 2785273 C1 RU2785273 C1 RU 2785273C1 RU 2021137974 A RU2021137974 A RU 2021137974A RU 2021137974 A RU2021137974 A RU 2021137974A RU 2785273 C1 RU2785273 C1 RU 2785273C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- adc
- input
- output
- range
- positive
- Prior art date
Links
- 238000004870 electrical engineering Methods 0.000 abstract 1
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract 1
- 229920002574 CR-39 Polymers 0.000 description 47
- 230000001105 regulatory Effects 0.000 description 3
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 2
- 241000712469 Fowl plague virus Species 0.000 description 1
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 1
- 230000001276 controlling effect Effects 0.000 description 1
- 230000000875 corresponding Effects 0.000 description 1
- 230000005669 field effect Effects 0.000 description 1
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 1
- 229920000333 poly(propyleneimine) Polymers 0.000 description 1
- 229920003288 polysulfone Polymers 0.000 description 1
- 230000035945 sensitivity Effects 0.000 description 1
- 238000011105 stabilization Methods 0.000 description 1
- 230000001360 synchronised Effects 0.000 description 1
Images
Abstract
Изобретение относится к аналого-дискретной технике и может быть использовано в аналого-цифровых преобразователях, построенных на основе преобразователей «ток - частота» или «напряжение - частота». Техническим результатом изобретения является расширение диапазона работы аналого-цифрового преобразователя с сохранением точностных характеристик изделия в диапазоне рабочих входных сигналов и сохранением масштабного коэффициента в расширенном диапазоне входных токов. Двухдиапазонный аналого-цифровой преобразователь с автоматическим переключением пределов содержит аналого-цифровой преобразователь (АЦП) на основе преобразователей либо «ток - частота», либо «напряжение - частота», блок перенапряжения и блок переключения диапазонов. Блок перенапряжения является входом схемы, через который протекает измеряемый аналоговый сигнал. Первый и второй выходы блока перенапряжения соединены соответственно с положительным и отрицательным входами блока переключения диапазонов, а третий выход блока перенапряжения соединен с первым входом интегратора АЦП. Первый и второй выходы блока переключения диапазонов соединены соответственно с входом переключения диапазона логического устройства АЦП и входом управления формирователя тока перегрузки. Положительный и отрицательный выходы логического устройства АЦП соединены соответственно с положительным и отрицательным входами управления ключевой схемы АЦП, а положительный и отрицательный входы - с положительным и отрицательным выходами блока компараторов АЦП. Логическое устройство АЦП подает дискретный или цифровой сигнал, пропорциональный измеряемому аналоговому сигналу, на выход схемы. Выход формирователя тока перегрузки соединен с входом источника эталонного тока АЦП. Выход источника эталонного тока АЦП соединен с входом коммутации ключевой схемы АЦП. Выход ключевой схемы АЦП подключен ко второму входу интегратора АЦП. Выход интегратора АЦП соединен с входом блока компараторов АЦП. 7 ил.
Description
Изобретение относится к аналого-дискретной технике и может быть использовано в аналого-цифровых преобразователях (АЦП), построенных на основе преобразователей «ток - частота» (ПТЧ) или «напряжение - частота» (ПНЧ).
Известен многопредельный АЦП (SU 785989). Недостатком устройства является то, что дополнительный АЦП или компаратор уровней влияет на входной сигнал ПНЧ, переключение уровней происходит в зависимости от тока, а не напряжения, что может быть важно при использовании ПНЧ для измерения сигналов в приборах с токовой обратной связью, не происходит непрерывности измерения при переключении предела измерения.
Наиболее близким к предлагаемому устройству является «Устройство для регулирования рабочего диапазона входных сигналов и способ управления рабочим диапазоном цифрового приемника» (RU 2154339), содержащее АЦП с входом для аналогового сигнала, с выходом преобразованного в цифровую форму сигнала и с входом для регулирования диапазона. Устройство содержит детектор уровня, соединенный с выходом преобразованного в цифровую форму сигнала и имеющий выход для детектора уровня, соответствующий уровню входного аналогового сигнала, компаратор, имеющий, по меньшей мере, первый вход, соединенный с выходом детектора уровня, второй вход, соединенный с источником эталонной величины, и выход сигнала результата сравнения, контроллер диапазона, имеющий вход, соединенный с выходом сигнала результата сравнения, и выход, соединенный с входом регулирования диапазона, и выполненный таким образом, что контроллер диапазона регулирует диапазон аналоговых сигналов с допустимой пиковой величиной, в пределах которого АЦП преобразует аналоговые сигналы в цифровые.
Недостатком описанного в патенте устройства является то, что регулируется лишь эталонная величина АЦП, но не регулируется время, из-за чего масштабный коэффициент АЦП не постоянен, так же выбор диапазона происходит после обработки сигнала, так как сравнение уровня происходит с помощью квантованного сигнала.
Стандартная схема АЦП на основе ПТЧ или ПНЧ приведена на фиг. 1.
АЦП «ток - частота» представляет собой интегрирующий АЦП, в котором происходит преобразование аналогового сигнала (электрического тока) в дискретную форму на основе уравновешивания входного и эталонного зарядов. Принцип работы преобразователя заключается в том, что на интегратор (1) поступает измеряемый аналоговый сигнал - входной ток, выходное напряжение интегратора пропорционально накопленному заряду. Выходной сигнал интегратора, представляющий из себя уровень напряжения, подключен к блоку компараторов (2). Блок компараторов, соединенный с интегратором и логическим устройством (3), представляет собой устройство сравнивающее выходное напряжение интегратора с двумя пороговыми уровнями напряжения. При совпадении выходного напряжения интегратора с одним из пороговых уровней, с блока компараторов поступает сигнал на логическое устройство, где формируются сигнал управления ключевой схемой (4) и выходная информация АЦП, представленная в дискретной форме (в виде последовательности импульсов), либо в кодовой (в виде цифрового кода). В результате блок компараторов определяет полярность входного тока и служит для выдачи управляющего сигнала на логическое устройство. При помощи ключевой схемы происходит подключение источника эталонного тока (5) к интегратору на эталонное время, заданное логическим устройством. Таким образом реализуется отрицательная обратная связь, чтобы с интегратора списался эталонный заряд qэт=iэт⋅τэт, где qэт - эталонный заряд АЦП, iэт - эталонный ток АЦП, равный максимально возможному входному току, τэт - эталонное время АЦП.
Частота выдачи команд на ключевую схему пропорциональна входному току и равняется fвых=iвx/qэт, где iвх - входной ток АЦП.
АЦП, построенный по схеме «напряжение - частота», отличается от АЦП по схеме «ток - частота» тем, что для ПНЧ эталонный и входной заряды формируются на основе источников напряжения, подключенных к преобразователю «напряжение - ток», входящего в состав интегратора.
Как следует из формул эталонного заряда и выходной частоты, АЦП не может преобразовать ток больше эталонного и его выходная частота не может превышать величины 1/Тэт, где Тэт - эталонное время, на которое источник эталонного тока подключается к интегратору. При этом для повышения точности и уменьшения влияния фронта сигнала управления ключевой схемой эталонное время стремятся увеличить, а для увеличения чувствительности и уменьшения энергопотребления эталонный ток пытаются уменьшить.
Задача, решаемая заявляемым изобретением, заключается в расширении диапазона работы АЦП с сохранением точностных характеристик изделия в диапазоне рабочих входных сигналов и сохранением масштабного коэффициента в расширенном диапазоне входных токов.
Поставленная задача достигается тем, что пределы переключаются не только с помощью масштабирования эталонного источника, а с помощью масштабирования эталонного тока с сохранением значения эталонного заряда путем пропорционального уменьшения эталонного времени. При этом для увеличения быстродействия и простоты реализации переключения диапазонов пороговое устройство (блок перенапряжения) установлено по входу АЦП, а не выходу.
Схема двухдиапазонного АЦП с автоматическим переключением пределов, предлагаемого к патентованию, приведена на фиг. 2. Двухдиапазонный АЦП с автоматическим переключением пределов содержит блок перенапряжения (БПН) (является функциональным эквивалентом детектора уровня) (6), блок переключения диапазонов (БПД) (является эквивалентом контроллера диапазона) (7), АЦП (8), формирователь тока перегрузки (ФТП) (9). АЦП состоит из интегратора, блока компараторов, логического устройства, ключевой схемы, источника эталонного тока. БПН, приведенный на фиг. 3, содержит два оптрона (10 и 11) и резистор (12). Связи в двухдиапазонном АЦП с автоматическим переключением пределов построены следующим образом: БПН устанавливается по входу схемы. На вход БПН подается измеряемый аналоговый сигнал, в БПН установлен резистор, подключенный параллельно входам двух оптронов, выходы оптронов, являющиеся первым и вторым выходами БПН, соединены соответственно с положительным и отрицательным входами БПД, а вывод резистора, являющийся третьим выходом БПН, соединен с первым входом интегратора, первый и второй выходы БПД соединены соответственно с входом переключения диапазона логического устройства и входом управления ФТП, положительный и отрицательный выходы логического устройства соединены соответственно с положительным и отрицательным входами управления ключевой схемы, выход ФТП соединен с входом источника эталонного тока, выход источника эталонного тока соединен с входом коммутации ключевой схемы, выход которой подключен ко второму входу интегратора, выход которого соединен с входом блока компараторов, положительный и отрицательный выходы которого соответственно соединены с положительным и отрицательным входами логического устройства, которое подает дискретный или цифровой сигнал на выход схемы.
Для решения задачи по расширению диапазона работы АЦП, введены следующие блоки:
- БПН, диаграмма работы которого представлена на фиг. 4;
- БПД;
- ФТП. ФТП и источник эталонного тока связаны друг с другом. Варианты их исполнения представлены на фиг. 5 и фиг. 6.
БПН состоит из двух оптронов, необходимых для исключения токов утечек измеряемого сигнала, входы которых подключены параллельно резистору, задающему включение дополнительного диапазона. При достижении падения напряжения на резисторе величины достаточной для открытия оптрона, на выходе оптрона формируется сигнал, поступающий на БПД. БПД связан с логическим устройством и управляет длительностью эталонного времени, формируемого логическим устройством, необходимого для управления ключевой схемой; и с ФТП, и управляет величиной эталонного заряда. Также при приходе управляющего сигнала с БПД на дополнительном выходе «признак перенапряжения» (на фиг. не указан) формируется опорная частота. Данный выход необходим для определения времени работы АЦП в режиме «перенапряжение». При закрытии оптрона, БПД формирует сигнал, приводящий эталонные время и заряд к первоначальным величинам, опорная частота на дополнительном выходе «признак перенапряжения» не формируется.
ФТП подключается к источнику эталонного тока таким образом, чтобы после прихода сигнала с БПД увеличить амплитуду эталонного тока iэт. Источник эталонного тока построен на источнике напряжения (13), полевом транзисторе (14), операционном усилителе (15), эталонном резисторе (16) и источнике опорного напряжения, состоящим из стабилитрона (17) и резистора (18). Эталонный ток протекает через эталонный резистор Rэт и формируется за счет падения напряжения, уровень которого равен напряжению стабилизации Uст стабилитрона, т.е. iэт=Uст / Rэт. В варианте исполнения ФТП, представленного на фиг. 5, после замыкания ключа (19) обеспечивается увеличение эталонного тока за счет увеличения падения напряжения на эталонном резисторе на величину падения напряжения на стабилитроне (20) таким образом, что iэт=(Uст+Uст20)/Rэт. В варианте исполнения ФТП, представленного на фиг.6, увеличение эталонного тока обеспечивается за счет подключения резистора (21) параллельно эталонному резистору за счет размыкания ключа (22) таким образом, что iэт=Uст/((Rэт⋅R21)/(Rэт+R21)).
Временная диаграмма работы двухдиапазонного АЦП показана на фиг.7. В БПД формируется сигнал управления, синхронизированный с концом «списывания» АЦП, который поступает на логическое устройство и ФТП. При приходе управляющего сигнала с БПД эталонный ток возрастает во столько раз, во сколько уменьшается эталонное время для сохранения величины эталонного заряда:
qэт=iэт⋅τэт=iэт П⋅τэт П
где:
qэт - эталонный заряд АЦП;
iэт - эталонный ток АЦП, равный максимально возможному входному току;
τэт - эталонное время АЦП;
iэт П,τэт П - эталонные ток и время в режиме «перенапряжение» (обеспечения расширенного диапазона).
Так как выходная частота АЦП равняется fвых=iвх/qэт, где iвх - входной ток ПНЧ, то коэффициент преобразования К=l/qэт. При сохранении величины эталонного заряда коэффициент преобразования АЦП сохранится. Также при приходе управляющего сигнала с БПД на дополнительном выходе «признак перенапряжения» формируется опорная частота. Данный выход необходим для определения времени работы АЦП в режиме «перенапряжение».
Технический результат заключается в расширении диапазона работы АЦП с сохранением точностных характеристик изделия во всем рабочем диапазоне входных токов и сохранением масштабного коэффициента в расширенном диапазоне входных токов.
Таким образом, заявлен двухдиапазонный АЦП с автоматическим переключением пределов, содержащий АЦП, БПН и БПД, в котором используется АЦП на основе преобразователей либо «ток - частота», либо «напряжение - частота», БПН является входом схемы, через который протекает измеряемый аналоговый сигнал, первый и второй выходы БПН соединены соответственно с положительным и отрицательным входами БПД, а третий выход БПН соединен с первым входом интегратора АЦП, первый и второй выходы БПД соединены соответственно с входом переключения диапазона логического устройства АЦП и входом управления ФТП, положительный и отрицательный выходы логического устройства АЦП соединены соответственно с положительным и отрицательным входами управления ключевой схемы АЦП, выход ФТП соединен с входом источника эталонного тока АЦП, выход которого соединен с входом коммутации ключевой схемы АЦП, выход которой подключен ко второму входу интегратора АЦП, выход которого соединен с входом блока компараторов АЦП, положительный и отрицательный выходы которого соответственно соединены с положительным и отрицательным входами логического устройства АЦП, которое подает дискретный или цифровой сигнал пропорциональный измеряемому аналоговому сигналу на выход схемы.
Claims (1)
- Двухдиапазонный аналого-цифровой преобразователь с автоматическим переключением пределов, содержащий аналого-цифровой преобразователь (АЦП), блок перенапряжения и блок переключения диапазонов, отличающийся тем, что используется АЦП на основе преобразователей либо «ток - частота», либо «напряжение - частота», блок перенапряжения является входом схемы, через который протекает измеряемый аналоговый сигнал, первый и второй выходы блока перенапряжения соединены соответственно с положительным и отрицательным входами блока переключения диапазонов, а третий выход блока перенапряжения соединен с первым входом интегратора АЦП, первый и второй выходы блока переключения диапазонов соединены соответственно с входом переключения диапазона логического устройства АЦП и входом управления формирователя тока перегрузки, положительный и отрицательный выходы логического устройства АЦП соединены соответственно с положительным и отрицательным входами управления ключевой схемы АЦП, выход формирователя тока перегрузки соединен с входом источника эталонного тока АЦП, выход которого соединен с входом коммутации ключевой схемы АЦП, выход которой подключен ко второму входу интегратора АЦП, выход которого соединен с входом блока компараторов АЦП, положительный и отрицательный выходы которого соответственно соединены с положительным и отрицательным входами логического устройства АЦП, которое подает дискретный или цифровой сигнал, пропорциональный измеряемому аналоговому сигналу, на выход схемы.
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2785273C1 true RU2785273C1 (ru) | 2022-12-05 |
Family
ID=
Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
SU785989A1 (ru) * | 1978-12-20 | 1980-12-07 | Предприятие П/Я Г-4493 | Многопредельный аналого-цифровой преобразователь |
RU2154339C2 (ru) * | 1993-05-28 | 2000-08-10 | Моторола Инк. | Устройство для регулирования рабочего диапазона входных сигналов и способ управления рабочим диапазоном цифрового приемника |
EP2958236A1 (en) * | 2014-06-16 | 2015-12-23 | The Trustees of Columbia University in the City of New York | Systems and methods for implementing error-shaping alias-free asynchronous flipping analog to digital conversion |
EP3059857A1 (en) * | 2015-02-17 | 2016-08-24 | Nxp B.V. | Time to digital converter and phase locked loop |
RU2731168C1 (ru) * | 2019-07-25 | 2020-08-31 | Акционерное общество "Арзамасский приборостроительный завод имени П.И. Пландина" - АО "АПЗ" | Прецизионный аналогово-цифровой преобразователь с промежуточным преобразованием в частоту и способ преобразования напряжения в цифровой код с промежуточным преобразованием в частоту |
Patent Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
SU785989A1 (ru) * | 1978-12-20 | 1980-12-07 | Предприятие П/Я Г-4493 | Многопредельный аналого-цифровой преобразователь |
RU2154339C2 (ru) * | 1993-05-28 | 2000-08-10 | Моторола Инк. | Устройство для регулирования рабочего диапазона входных сигналов и способ управления рабочим диапазоном цифрового приемника |
EP2958236A1 (en) * | 2014-06-16 | 2015-12-23 | The Trustees of Columbia University in the City of New York | Systems and methods for implementing error-shaping alias-free asynchronous flipping analog to digital conversion |
EP3059857A1 (en) * | 2015-02-17 | 2016-08-24 | Nxp B.V. | Time to digital converter and phase locked loop |
RU2731168C1 (ru) * | 2019-07-25 | 2020-08-31 | Акционерное общество "Арзамасский приборостроительный завод имени П.И. Пландина" - АО "АПЗ" | Прецизионный аналогово-цифровой преобразователь с промежуточным преобразованием в частоту и способ преобразования напряжения в цифровой код с промежуточным преобразованием в частоту |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
JP4537483B2 (ja) | 高分解能および広ダイナミックレンジ積分器 | |
RU2785273C1 (ru) | Двухдиапазонный аналого-цифровой преобразователь с автоматическим переключением пределов | |
Pejić et al. | Comparator offset error suppression in stochastic converters used in a watt-hour meter | |
US7630695B2 (en) | Receiver signal strength indicator | |
KR0137088B1 (ko) | 전력연산장치 | |
US5200752A (en) | Integrating analog to digital converter run-up method and system | |
JP2000151409A (ja) | アナログ―ディジタル変換器装置および勾配増幅器の調節装置 | |
Mahmud et al. | A microprocessor-based dual slope phase meter | |
RU2790350C1 (ru) | Способ расширения диапазона измеряемых токов преобразователем аналоговых сигналов | |
US5164660A (en) | True, power, RMS current, and RMS voltage measuring devices | |
US6864674B2 (en) | Loss measurement system | |
US4719408A (en) | Apparatus for indicating proper compensation of an adjustable frequency compensation network | |
EP0437785A2 (en) | AC signal generating apparatus for generating a voltage or current standard | |
JP7103085B2 (ja) | 状態検出装置 | |
RU2502182C2 (ru) | Система для зарядки конденсатора, цифровой управляющий модуль и изолированный модуль получения данных для такой системы | |
CN113746310B (zh) | 消除交流电源输出周期对称波形中直流分量的装置及方法 | |
Sushil et al. | Design and Simulation of a Linear and Current Regulated DC Power Supply with Telemeter Control and Monitor | |
JPH0633701Y2 (ja) | オートレンジ回路 | |
KR970066580A (ko) | 최대수요 전력 감시제어장치 | |
JPS62168420A (ja) | 入力回路 | |
SU871087A2 (ru) | Измерительный преобразователь переменного напр жени в посто нное | |
Sanmamed et al. | Temperature influence on the establishment of a digital voltage reference | |
GB2227381A (en) | Analogue to digital converters | |
SU1667105A1 (ru) | Многоуровневый статистический анализатор площади выбросов и провалов напр жени | |
SU836794A1 (ru) | Аналого-цифровой преобразователь |