SU1725397A1

SU1725397A1 - Логарифмический аналого-цифровой преобразователь

Info

Publication number: SU1725397A1
Application number: SU904820272A
Authority: SU
Inventors: Юрий Александрович Курдюмов
Original assignee: Научно-испытательный институт химических и строительных машин
Priority date: 1990-04-27
Filing date: 1990-04-27
Publication date: 1992-04-07

Abstract

Изобретение относитс к информационно-измерительной технике, а также к автоматике и вычислительной технике и используетс дл решени задач по преобразованию аналоговых сигналов в цифровой код с логарифмической характеристикой . Цель изобретени состоит в увеличении точности преобразовани и в расширении динамического диапазона входных сигналов. Дл этого в логарифмический АЦП введён источник 3 опорного напр жени , кроме того, преобразователь содержит ключевые элементы 1, 2 и 7, блок 4 суммировани , блок 5 управлени и регистрации , операционный усилитель 6, накопительный элемент, выполненный на конденсаторе 8, ограничительный элемент, выполненный на резисторе 9, источник 10 опорного напр жени , компаратор 11, входную шину 12 и шину 13 запуска, причем блок 4суммировани выполнен на резисторах 14-17 и операционном усилителе 18, а блок 5управлени и регистрации - на одновиб- раторе 19, элементе И 20, счетчике 21 и генераторе 22 эталонной частоты. 2 з.п.ф- лы, 3 ил. СО с

Description

Изобретение относитс к информационно-измерительной технике, в также к автоматике и вычислительной технике, и используетс дл решени задач по преобразованию аналоговых сигналов в цифровой код с логарифмической характеристикой .

Известен логарифмический аналоге цифровой преобразователь, содержащий источник опорного напр жени , интегратор , включающий в себ операционный усилитель , врем задающий резистор и интегрирующий конденсатор, компаратор, функциональный частотный преобразователь , счетчик, триггер, одновибратор, элемент ИЛИ и шесть ключевых элементов, наход щихс в соответствующих взаимосв з х .

Недостатком этого преобразовател вл етс невысока точность измерений, так как на значение посто нной времени его врем задающей цепи оказывает вли ние дрейф (обусловленный воздействием дестабилизирующих факторов - температура окружающей среды, врем наработки и т.д.) сопротивлени ключа, включенного последовательно с интегрирующим конденсатором .

Наиболее близким к за вл емому по технической сущности вл етс логарифмический аналого-цифровой преобразователь, содержащий ключ, резистор, конденсатор, усилитель, компаратор, блок управлени и регистрации, операционный усилитель, четыре дополнительных ключа и инвертор (блок суммировани ), причем вход ключа соединен с выходом операционного усилител и через первый дополнительный ключ - с его инвертирующим входом, который через второй дополнительный ключ соединен с выходом ключа, вход усилител через третий дополнительный ключ соединен с его выходом, а через четвертый дополнителный ключ - с общей точкой соединени резистора и конденсатора, выход ключа соединён через блок суммировани с входом компаратора , управл ющие входы второго и четвертого дополнительных ключей соединены с первым выходом блока управлени и регистрации , второй выход которого соединен с управл ющими входами первого и третьего ключей.Однако поскольку на конденсаторе на- . капливаетс , напр жение, пропорциональное инцЈгралу от суммы напр жений входного сигнала и смещени нул операционного усилител , а последующий разр д конденсатора происходит на шину нулевого потенциала, то это определ ет составл ющую погрешности преобразовани , ограничивающую , также динамический диапазон преобразуемых сигналов с нормированной точностью снизу, причем температурный дрейф напр жени смещени нул операционных усилителей также вносит дополнительную составл ющую погрешности прербразовани . Кроме того, алгоритм преобразовани не реализует полностью диапазон напр жений операционных

усилителей, использу либо, положительную , либо отрицательную области.

Целью изобретени вл етс увеличение точности преобразовани и расширение динамического диапазона входных

сигналов.

Поставленна цель достигаетс тем, что в логарифмический аналого-цифровой преобразователь , содержащий первый, второй и третий ключи, блок управлени и регистрации , компаратор, блок суммировани ,

операционный усилитель, резистор и конденсатор , соединенный первой обкладкой с первым выводом резистора и выходом третьего ключа, управл ющий вход которого соединен с управл ющим входом первого ключа и первым выходом блока управлени и регистрации, второй выход блока управлени и регистрации подключен к управл ющему входу второго ключа, выход которого

соединен с выходом первого ключа, а вход блока управлени и регистрации подключен к выходу компаратора, первый вход которого соединен с выходом первого источника опорного напр жени , введен второй источник опорного напр жени , обща шина которого соединена с шиной нулевого потенциала , а выход подключен к второму входу блока суммировани , первый вход блока суммировани подключен к выходу первого

ключа, информационный вход которого соединен с входной шиной преобразовател , а выход блока суммировани подключен к неинвертирующему входу операционного уси- лител , инвертирующий вход и выход

которого объединены и соединены с общей шиной первого источника опорного напр жени , вторым выводом резистора и информационным входом третьего ключа, выход которого подключен к второму входу компаратора , втора обкладка конденсатора и информационный вход второго ключа соединены с шиной нулевого потенциала.

На фиг. 1 представлена структурна схе- ма аналого-цифрового преобразовател ; на фиг.2 - структурна схема варианта блока управлени и регистрации; на фиг.З - временные диаграммы, по сн ющие алгоритм работы аналого-цифрового преобразовател .

Аналою цифровой преобразователь содержит ключи 1 и 2, источник 3 опорного напр жени (второй), блок 4 суммировани , блок 5 управлени и регистрации, операционный усилитель 6, ключ 7, конденсатор 8, резистор 9, источник 10 опорного напр жени (первый), компаратор 11, входную Шину 12 и шину 13 запуска.

Блок 4 суммировани (фиг.1) содержит резисторы 14-17 и операционный усилитель 18, причем значени сопротивлений .резисторов св заны следующими соотношени ми:

Ri4 Ri5 Ri7 R;Ri6 -|,

о что обеспечивает дл блока 4 нахождение (со знаком минус) суммы входных напр жений .

Блок 5 управлени и регистрации (фиг,2) содержит одновибратор 19, элемент И 20, суммирующий счетчик 21 импульсов и генератор 22 импульсов эталонной частоты.

Перва обкладка конденсатора 8 соединена с первым выводом резистора 9 и выходом ключа 7, управл ющий вход которого соединен с управл ющим входом ключа 1 и первым выходом блока 5 управлени и регистрации, второй выход блока 5 управлени и регистрации подключен к управл ющему входу ключа 2, выход которого соединен с выходом ключа 1, первый вход блока 5 управлени и регистрации подключен к выходу компаратора 11, первый вход которого соединен с выходом источника 10 опорного напр жени , обща шина источника 3 опорного напр жени соединена с шиной нулевого потенциала, а выход подключен к второму входу блока 4 суммировани , первый вход блока 4 суммировани подключен к выходу ключа 1, информационный вход которого соединен с входной щи- ной 12 преобразовател , выход блока 4 суммировани подключен к неинвертирую- щему входу операционного усилител 6, ин- вертирующий вход и выход которого объединены и соединены с общей шиной источника 10 опорного напр жени , вторым выводом резистора 9 и информационным входом ключа 7, выход которого подключен к второму входу компаратора 11, втора обкладка конденсатора 8 и информационный вход ключа 2 объединены и соединены с шиной нулевого потенциала, а шина 13 запуска соединена с вторым входом блока 5 управлени и регистрации.

Дл ключей 1, 2 и 7 врем включени и выключени св зано следующими соотношени ми: . .

Твкл.2 выкл.1 J(1)

Гвыкл.2 Гвкл.1 ()

Гвкл.2 Твыкл.З . (3)

где Твкл.2 - врем включени ключа 2:

Твыкл.1 - врем выключени ключа 1; 5Гйыкл.з - врем выключени ключа 7;

Твыкл.2 - врем выключени ключа 2. Дл источника 3 опорного напр жени величина отрицательного опорного напр жени Uo составл ет значение

111 11 1Ьмакс

IU0 I -j-

где Ухмакс - максимальное значение преобразуемого сигнала (динамический диапазон сигнала - в области положительных значе- ний).

Дл блока 4 суммировани предельное соотношение между входными и выходными напр жени ми дл нулевого и максимального уровней преобразуемого сигнала определ етс соответственно следующими выражени ми:

KUcM.I + Uo ) илин.1макс,(4)

где UCM.I напр жение смещени нул операционного усилител 18;

илин.1макс - максимальное линейное значение выходного положительного напр жени операционного усилител 18;

(ихмакс + UcM.I + Uo ) и линЛтакс , (5)

где U линлмакс - максимальное линейное значение выходного отрицательного напр жени операционного усилител 18.

Дл операционного усилител 6 предельное соотношение между выходным и входным напр жени ми :при нулевом и максимальном уровн х преобразуемого сигнала определ етс соответственно следующим выражени ми:

ис,и.2-(исм.1 + ио ) иЛин.2Макс; (6) лUcM.2 (Ухмакс + UcM.1 +

+ U0 ) иПик.2макс ,(7)

где UcM.2 напр жение смещени нул операционного усилител 6;

илин.2макс - максимальное линейное значение выходного положительного напр жени операционного, усилител 6;

U лин.2макс - максимальное линейное значение вы-ходного отрицательного напр жени операционного усилител 6.

Дл источника 10 опорного напр жени

0

5

0

5

0

5

величина отрицательного опорного напр жени Uo составл ет значение

О Uo UXMHH,

где UXMHH минимальное значение преобразуемого сигнала.

Дл одновибратора 19 задержки по влени сигналов Г31 и гз2 соответственно на пр мом и инверсном выходах св заны равенством

Г31 Г32 ,(8)

а длительность сигналов гс определ етс следующим выражением: гс г„ ,

где тн - врем зар да конденсатора 8 при максимальном уровне Ухмакс преобразуемого сигнала.

Логарифмический аналого-цифровой преобразователь работает следующим образом .

В исходном состо нии на первом выходе блока 5 управлени и регистрации присутствует уровень логического О, а на втором выходе -- уровень логической 1, что определ ет разомкнутое состо ние ключей 1 и 7 и замкнутое состо ние ключа 2. На первом входе блока 4 суммировани -уровень нулевого потенциала, а на втором входе - уровень UoV что определ ет на выходе блока 4 суммировани уровень напр жени

Увых.4 - (0 + Uo + UCM.I) - - (Uo + UCM.I),

конденсатор 8 через операционный усилитель 6 в режиме повторител напр жени и резистор 9 зар жен до уровн напр жени

U - UBMX.I + UcM.2 UcM.2 - (Uo1 + UCM.I),

что с учетом величины U0 на первом входе компаратора 11 (эпюра 1, фиг.Зв) определ ет на выходе компаратора 11 и соответственно на втором входе элемента И 20 уровень логического О, запрещающий прохождение импульсов генератора 22 на счетный вход счетчика 21 импульсов, исходное состо ние1 разр дов которого любое.

При поступлении на шину 13 запуска сигнала Пуск по его переднему фронту происходит установка в нулевое состо ние разр дов счетчика 21 импульсов и запуск одновибратора 19, что определ ет на пр мом и инверсном выходах одновибратора 19 и соответственно на первом и втором выходах блока 5 управлени и регистрации наличие импульсов (фиг.З а,б) длительностью тс . При этом замыкаютс ключи 1 м 7 и размыкаетс ключ 2.

В результате преобразуемый сигнал Ux с входной шины 12 через ключ 1, блок 4 суммировани , операционныйусилительб и .ключ 7 зар жает конденсатор 8 до напр жени

Me - U - Ux - (UcM.2.- Uo1 - UCM.I) - Ux.

Далее по задним фронтам импульсов на первом и втором выходах блока 5 управлени и регистрации происходит соответствующее размыкание ключей 1 и 7 И замыкание ключа 2, что определ ет срабатывание компаратора 11 и установку на его выходе уровн логической Г, а также начало процесса экспоненциального разр да конденсатора 8 через резистор 9 до уровн выходного напр жени операционного усилител 6,

0

5

0

5

0

значение которого равно U (фиг.З в), причем уровень логической 1 на выходе компаратора 11 разрешает прохождение импульсов эталонной частоты генератора 22 через элемент И 20 на счетный вход счетчика 21 импульсов.

При достижении на конденсаторе 8 значени напр жени

Uo

происходит выключение компаратора 11 с соответствующей установкой на его выходе уровн логического О (фиг.З г) и завершение процесса формировани на выходе компаратора 11 импульса, значение длительности тх которого определ етс выражением

.tx-Rg.-Се Чп --.,.

Uo где Rg - значени сопротивлени резистора

9:

Се - значение емкости конденсатора 8, причем уровень логического О на выходе компаратора 11 по второму входу элемента И 20 запрещает прохождение импульсов генератора 22 на счетный вход счетчика 21 импульсов.

В результате в счетчик 21 импульсов за интервал времени тх поступит следующее количество импульсов генератора 22 эталонной частоты

Ux

NX

fo тх fo Rg Ce In

U,

II

где f0 - частота следовани импульсов генератора 22 эталонной частоты, причем предельное значение длительности выходного импульса компаратора 11 определ етс соотношением

Тхмакс Тнест,

где Тнест - период изменени во времени от дестабилизирующих факторов значений

Uo , UcM.1 И UcM.2.

Таким образом, в логарифмическом аналого-цифровом преобразователе (АЦП) в счетчике 21 импульсов будет зафиксирован код, пропорциональный логарифму преобразуемого сигнала.

Ограничение, наложенное выражени ми (1), (2) и (8), исключает при переключени- х ключей 1 и 2 режим КЗ дл источника преобразуемого сигнала.

Ограничение, наложенное выражени ми (3) и (8), определ ет момент замыкани ключа 2 го времени позже момента размы- кани ключа 7.

Ограничение, наложенное выражени ми (4) И (5), исключает составл ющую погрешности от нелинейности передаточной характеристики операционного усилител 18 в режиме инвертора с единичным усилением . Ограничение, наложенное выражени ми (6) и (7), исключает составл ющую погрешности от нелинейности передаточной характеристики операционного усилител б в режиме повторител напр жени .

Поскольку в исходном состо нии конденсатор 8 зар жен до уровн напр жени

Us - (UCM:2 - Uo - UcM.1).

а после запоминани значени Ux разр д конденсатора 8 происходит на этот же уровень Us (причем опорное напр жение Uo задано относительно уровн выходного напр жени операционного усилител 6) то наличие и нестабильность значений Ць1, UcM.1 и исм:2, составл ющих уровень U не сказываетс на точности преобразовани .

Таким образом, в за вл емом логарифмическом АЦП увеличена точность преобразовани за счет исключени составл ющих погрешности, обусловленных вли нием напр жени смещени нул и дрейфом напр жени смещени нул операционных усилителей 6 и 18, что кроме этого, позвол ет расширить динамический диапазон преобразовани сигналов с нормированной точностью, так как удельный вес названных составл ющих погрешности значительно возрастает в области небольших уровней преобразуемого сигнала. Кроме того, при преобразовании входных сигналов используютс области положительных и отрицательных Напр жений операционных усилителей 6 и 18, что определ ет расширение динамического диапазона преобразуемого сигнала в два раза.

Поскольку в за вл емом логарифмическом АЦП операционный усилитель 6, ключ 7 и конденсатор 8 представл ют собой блок выборки-хранени , то это позвол ет использовать за вл емый преобразователь в режиме квантовани входного аналогового сигнала в составе многоканальной измерительной системы, дл которой

(Тс+Тхмакс) ТкВ Тсмин, где Ткв - период следовани квантующих импульсов (сигналы Пуск на шине 13 запу ска логарифмического АЦП) измерительной системы;

Тсмин - минимальный период изменени входного преобразуемого сигнала.

Использование за вл емого преобразовател в составе системы измерений (СИ) при проведении испытаний изделий позволит сократить количество средств измерений , вход щих в состав СИ, за счет его широкого динамического диапазона. Однако из-за отсутстви данных по объему СИ и количеству испытаний провести расчет экономического эффекта от использовани

преобразовател не представл етс воз можным.

Claims

Формула изобретени 1. Логарифмический аналого-цифровой 5 преобразователь, содержащий первый, второй и третий ключи, блок управлени и регистрации, компаратор, блок суммировани , операционный усилитель, токоогра- ничивающий и накопительные элементы, 10 выполненные соответственно на резисторе и конденсаторе, причем перва обкладка конденсатора соединена с первым выводом резистора и выходом третьего ключа, управл ющий вход которого объединен суп равл 5 ющим входом первого ключа и соединен с первым выходом блока управлени и регистрации , второй выход блока управлени и регистрации подключен к управл ющему входу второго ключа, выход которого объе0 динен с выходом первого ключа, первый вход блока управлени и регистрации подключен к выходу компаратора первый вход которого соединен с выходом первого источника опорного напр жени , о т л и ч а5 ю щ и и с тем, что, с целью увеличени точности преобразовани и расширени динамического диапазона входных сигналов, в него введен второй источник опорного напр жени , причем первый вход блока сум0 мировани подключен к -выходу первого ключа, информационный вхОд которого соединен с входной шиной, а второй вход и выход блока суммировани подключены соответственно к выходу второго источника

5 опорного напр жени и к неинвертирующему входу операционного усилител , инвен- тирующий вход которого соединен с его выходом, который соединен с общей шиной первого источника опорного напр жени ,

0 вторым выводом резистора и информационным входом третьего ключа, выход которого подключен к второму входу компаратора, при этом обща шина второго источника опорного напр жени , втора обкладка кон5 денсатора и информационный вход второго ключа объединены и вл ютс шиной нулевого потенциала, шиной запуска вл етс второй вход блока управлени и регистрации ,

0
2. Преобразователь по п.1, от л и ч а ю- щ и и с тем, что блок суммировани выполнен на операционном усилителе, пе рвом, втором, третьем и четвертом резисторах, первые выводы первого, второго и четверто5 го резисторов объединены и соединены с инвертирующим входом операционного усилител , неинвертирующий вход которого через третий резистор соединен с шиной нулевого потенциала, а выход - с вторым выводом четвертого резистора и вл етс

выходом блока, первым и вторым входами которого вл ютс соответственно вторые выводы первого и второго резисторов.
3. Преобразователь по п. 1, от л и ч а ю- щ и и с тем, что блок управлени и регистрации выполнен на одновибраторе, суммирующем счетчике импульсов, элементе И и генераторе эталонной частоты, выход ко0

торого соединен с первым входом элемента И. второй вход которого вл етс первым входом блока, а выход соединен со счетным входом суммирующего счетчика, вход установки которого объединен с входом одно- вибратора и вл етс вторым входом блока, пр мой и инверсный выходы одновибрато- ра вл ютс соответственно первым и вторым выходами блока.

фиг. 2

Фиъ.З