Аналого-цифровой интегратор

 

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИН

„„SU„„1013978

g g fi 06 G 7/18

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ СССР

flO ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТИЙ

Ъ

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОЬ У СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 3368336/18-2it (22) 24.12.81 (46) 23.М.83. Бюл. Р 15 (72) Г.П. Белаш, Е.И, Качанов и Ю.В. Юрков (71) Ленинградский ордена Ленина электротехнический институт им. В.И. Ульянова (Ленина) (53) 681.335(088.8) (56} 1. Авторское свидетельство СССР

11 578645, кл. С 06 С 7/18, 1977.

2. Байда Л.И., Белаш Г.П. и

Юрков Ю.В. Расширение динамического диапазона измерительного преобразования радиоимпульсных сигналов. - Материалы Второго всесоюзного симпозиума !Нелинейные искажения в приемно-усили. тельных устройствах". Минск, 1980, с. 306 (прототип). (Я)(57) AHAj1oro- ифРОВ0й иитеГРАТОР, содержащий операционный усилитель, масштабный резистор, 11 интегрирующих конденсаторов,п. двухпоэиционных ключей, аналого-цифровой преобразователь, регистр сдвига, перемножитель кодов и первый компаратор, причем первые обкладки интегрирующих конденсаторов соединены с входом операционного усилителя и с одним. из выводов масштабного резистора, другой вывод которого является входом интегратора, вторые обкладки интегрирующих конденсаторов подключены к входам двухпозиционных ключей, первые выходы которых соединены с выходом операционного усилителя, а управляющие входы подключены к соответствующим выходам регистра сдвига, первый и второй входы которого являются соответственно входами запуска и сброса интегратора, выход операцион ного усилителя по,1ключен к первому входу первого компаратора, второй вход которого соединен с .входом опор" ного напряжения интегратора, и к первому входу аналого-цифрового преобразователя, выходы которого подключены к первой группе входов/перемножителя кодов, а выходы перемножителя кодов являются цифровым выходом интеграто-. ра, о т л и ч à ю шийся тем, что, с целью расширения динамического диапазона интегрируемых сигналов, в интегратор введены второй и третий компараторы, аналоговый инвертор, преобразователь кодов, коммутатор, эле- ф мент ИЛИ, дополнительный ключ и дополнительный интегрирующий конденсатор, включенный между входом и выходом one- рационного усилителя, вход дополнительного ключа соединен с входом операционного усилителя, его выход - с выходом операционного усилителя, а управляющий вход соединен с соответствующим выходом регистра сдвига, вторые выходы двухпозиционных ключей подключены к шине нулевого потенциала, вход опорного напряжения подключен к первому входу коммутатора и через аналоговый инвертор - к первому входу второго компаратора, вторым входом соединенного с выходом операци« онного усилителя, и к второму входу коммутатора, выход которого подключен к второму входу аналого"циф-,Ь рового преобразователя, выходы первого и второго коипараторов соедине- . ны с входами элемента ИЛИ, выходом подключенного к тактовому входу регистра сдвига, выходы регистра сдвига через преобразователь кодов

1013978 подключены к второй. группе входов перемножителя кодов, входы третьего компаратора соединены соответственно с выходом операционного усилителя и

Изобретение относится к автоматике, измерительной технике и радиоэлектронике.

Известен аналого-цифровой интегратор (АЦИ), содержащий последовательно соединенные аналоговый интегратор и аналого-цифровой преобразова" тель (АЦП). АЦИ осуществляет оп рацию интегрирования входного аналогового сигнала с последующим преобразованием полученного результата в цифровой код 1 ).

Существующие АЦИ обладают незначительным по амплитуде динамическим диапазоном обрабатываемых (интегрируемых) сигналов. Ограничение динамического диапазона обусловлено погрешностями квантования, вносимыми АЦП, и погрешностями аналогового интегрирования, вносимыми интегратором, вхо- 0 дящмм в состав АЦИ ° Линейный участок вы а@мого напряжения усилителя с конденсатором в цепи обратной свФзи (выполняет роль интегратора) ограничен шумами усилителя (снизу) и напряжени- 5 ем насыщения усилителя (сверху) . Снижение погрешностей квантования, а следовательно, и некоторое расширение динамического диапазона, может быть обеспечено за счет увеличения разряд" 5О ности АЦП. Нб даже незначительное увеличение разрядности АЦП (до 1214 двоичных разрядов) приводит к значительному возрастанию сложности и стоимости аппаратуры, а также к воз" 35 растанию времени аналого-цифрового преобразования.

Наиболее близким к предлагаемому устройству является АЦИ, входящий в состав измерителя квадратурных со-: 4p ставляющих сигналов, содержащий регистр сдвига, перемножитель кодов, компаратор, АЦП, усилитель, .резистор, fl конденсаторов, и двухпозиционных ключей, причем одна из обкладок конденсаторов соединена с входом усилителя и с одним иэ выводов резистора, другой вывод которого является вхос шиной нулевого потенциала, а его выход является выходом знака интег" ратора и подключен к управляющему входу коммутатора. дом устройства, вторые обкладки каждого конденсатора соединены с входами соответствующих двухпозиционных ключей, выход усилителя соединен с входом АЦП, с объединенными вторыми выходами двухпозиционных ключей и с первым входом компаратора, второй вход которого и вход опорного напряжения АЦП соединен с входом опорного напряжения устройства, выход компаратора соединен с тактовым входом ре" гистра сдвига, выходы которого соединены с входами управления соотретствующих двухпозиционных ключей, выходы АЦП соединены с первой группой входов перемножителя кодов, выход которого является выходом устройства, вторая группа входов пере-. множителя кодов соединена с выходами регистра сдвига, первый выход первого двухпозиционного ключа соединен с общей шиной, первые выходы остальных двухпозиционных ключей, начиная с второго, соединены с входом дополнительного опорного напряжения устройства 2 .

Недостатком устройства является возможность интегрирования входных сигналов только одной полярности с опорным напряжением (0 „ ).

Целью изобретения является расширение динамического диапазона ин" тегрируемых сигналов.

Поставленная цель достигается тем, что в АЦИ,содержащий операционный усилитель, масштабный резистор, h интегрирующих конденсаторов, и двух-, позиционных ключей, АЦП, регистр .сдвига, перемножитель кодов и первый компаратор, причем первые обкладки интегрирующих конденсаторов соединены с входом операционного усилителя и с одним из выводов масштабного резистора, другой вывод которого является входом интегратора, вторые обкладки интегрирующих конденсаторов подключе ны к входам двухпозиционных ключей, первые выходы которых соединены с вы

3 10139 ходом операционного усилителя, а управляющие входы подключены к выходам регистра сдвига, первый и второй входы которого являются соответственно входами запуска и сброса интегратора, выход операционного усилителя подключен к первому входу первого компаратора, второй вход которого соединен с входом опорного напряжения, интегратора, и к первому входу АЦП, выходы которого подключены к первой группе входов перемножителя кодов, а выходы перемножителя кодов являются цифровым выходом интегратора, введены второй и третий компараторы, ана15 логовый инвертор, преобразователь кодов, коммутатор, элемент .ИЛИ, дополнительный ключ и дополнительный интегрирующий конденсатор, включенный между входом и выходом операционного усилителя, вход дополнительного ключа соединен с входом операционного .усилителя, его выход - с выходом опе. рационного усилителя, а управляющий вход соединен с соответствующим выходом регистра сдвига, вторые выходы двухпозиционных ключей подключены к шине нулевого потенциала, вход опорного напряжения подключен к первому входу коммутатора и через аналоговый инвертор - к первому входу второго компаратора, вторым входом соединенного с выходом операционного усилителя, и к второму входу коммутатора, выход которого подключен к второму . входу АЦП, выходы первого и второго 55 компараторов соединены с входами элемента ИЛИ, выходом подключенного к тактовому входу регистра сдвига, вы- ходы регистра сдвига через преобра зователь кодов подключены к второй 4о группе входов перемножителя кодов,.

; входы третьего компаратора соединены соответственно с выходом операционного: усилителя и с шиной нулевого потенциала, à его выход является .выходом знака интегратора и подключен

:к управляющему входу коммутатора °

Сущность предлагаемого решения заключается в том, что в момент достижения выходным напряжением усилителя

50 значения опорного напряжения (ILQ или значения инвертированного опор- ного напряжения (-U ) производится

OA подключение параллельно конденсатору обратной связи усилителя нового. конденсатора с нулевым электрическим эа, рядом.

На чертеже изображена схема АЦИ.

78

АЦИ содержит масштабный резистор 1, аналоговый инвертор 2,п интегрирующих конденсаторов 3, р двухпозиционных ключей 4, операционный усили" тель 5, регистр 6 сдвига, первый компаратор 7, второй компаратор 8, элемент ИЛИ 9, преобразователь 10 кодов, АЦП ll, третий компаратор 12, пвремножитель 13 кодов, коммутатор 14, дополнительный интегрирующий конденсатор 15, дополнительный ключ 16.

Одна из обкладок конденсаторов 3 и конденсатора 15 соединена с входом операционного усилителя 5 и с одним иэ выводов резистора 1, второй вывод резистора 1 является входом устройства. Вторые обкладки. каждого конденсатора 3 соединены с входами соответствующих двухпозиционных ключей 4, выход операционного усилителя 5 соединен с входом АЦП ll, c объединенными вторыми входами всех двухпозиционных ключей 4 и с первым входом первого компаратора 7, второй вход первого компаратора 7 соединен с входом опорного напряжения устройства. Первые выходы всех двухпозиционных.ключей 4 объединены выходы АЦП 11 соединены с первой группой входов перемножителя 13 кодов, выход перемножителя 13 кодов является выходом устройства.

Входы управления двухпозиционных.ключей 4 соединены с выходом регистра 6 сдвига, вход опорного напряжения устройства соединен с первым. входом ком-. мутатора 14 и с входом аналогового . инвертора 2. Выход аналогового инвертора 2 соединен с первым входом вто-рого компаратора 8 и с вторым входом . коммутатора 14.,Выход операционного усилителя 5 соединен с второй обкладкой дополнительного конденсатора l5, вторым входом второго компаратора 8, входом третьего компаратора 12 и выходом дополнительного ключа 16, вход которого подключен к входу операционного усилителя объединенные первые выходы двухпозиционных ключей 4 соединены с общей шиной; выходы первого компаратора 7 и второго компаратора 8 соединены с входами элемента ИЛИ 9, выход элемента ИЛИ 9 соединен с тактовым входом регистра 6 сдвига. Вход. запуска и вход сброса регистра 6 сдви" га являются входами запуска и сброса интегратора. Выходы регистра 6 сдвига соединены с входами преобразовать" ля 10 кодов, выходы которого соединены с второй группой входов перемножителя..13 кодов. Второй вход третьего .

1013978

5 компаратора 12 соединен с общей шиной; выход третьего компаратора 12 соединен с входом управления коммутатора 14, выход коммутатора 14 соединен с входом опорного напряжения

АЦП 11, выход третьего компаратора 12 является выходом знака выходного кода интегратора.

Устройство работает следующим образом. 10

Перед началом процесса аналогоцифрового интегрирования входного сигнала (U,„(й)) произвОдится установ. ка АЦИ в исходное состояние. При по-. явлении импульсного сигнала на входе сброса устройства во все п разрядов регистра 6 сдвига записываются логические "Она При появлении на входе управления даухпозиционного ключа 4 логического "О", э1 от ключ находится в первом положении (замыкается вход ключа с его первым выходом ), при наличии "1". на входе управления - во втором положении (замыкается вход ключа с его вторым выходом).

Процесс интегрирования начинается при появлении "1" на входе запуска интегратора. При этом в первый (младший) разряд регистра сдвига 6 записывается ".1", первый ключ переводится во второе положение и в цепи обратной связи усилителя 5 включен один конденсатор 15. Таким образом, исходная постоянная времени аналогового интегратора определяется сопротивлением масштабного резистора и емкос-35 тью конденсатора !5. Как только модуль ОвЬ,х(Чпревышает опорное напряжение Ооп, сразу срабатывает первый 7 (при ц „ t) > U „) или второй 8 (при

0 gt) Е- Ч ) компаратор и на выходе 40

b! элемента ИЛИ 9 образуется перепад напряжения (переход из "0" в "1"), по которому появляется "1" и на втором выходе регистра сдвига 6. Теперь уже два ключа находятся во втором положе- 4з нии, а это значит, что параллельно первому конденсатору 15 подключен второй конденсатор 3, причем электрический заряд на вновь подключаемом конденсаторе равен нулю, так как до подключения он был соединен с общей шиной. Выходное напряжение u,,$t) уменьшается по абсолютной величине, так как имевший место заряд на конденсаторе 15 перераспределяется между конденсаторами 15 и 3, соединенными параллельно.

Если после дальнейшего процесса интегрирования выходное напряжение усилителя U <)t) по абсолютной величине вновь превышает И то по сигнаоп 1 лу элемента ИЛИ 9 в регистра сдвига 6 единицы записываются уже в трех первых разрядах, следовательно, в цепи обратной связи будет включено параллельно три конденсатора.

В момент окончания процесса интегрирования йк и исчезновения Ц

U „gt„) > О, то на выходе третьего компаратора 12, являющегося выходом знака выходного кода АЦИ, присутствует "1", которая поступает на вход yn" равления коммутатора 14, а тот, в свою очередь, подключает к входу опор" ного напряжения АЦП напряжение 0

Если U z,)g) (О, на выходе третьевы

ro компаратора 12 "О", и коммутатор подключает к входу опорного напряжения АЦП напряжение с выхода аналогового инвертора 2 (-0 1).

После окончания преобразования напряжения в код на выходе АЦП образу" ется код Мдяп.Код с выхода регистра 6 сдвига (N ), содержащий в 3с разрядах логические "1", а в остальных (n-k) разрядах - логические "0", преобразуется преобразователем 10 кода в но"

К змй код g „= C (С„. Таким образом, 1 и f-1 4 число Йкп указывает во сколько раз увеличилась постоянная времени интег1 ратора в процессе интегрирования входного сигнала. На выходе перемножите- 3 ля 13 кодов, являющимся одновременно выходом АЦИ, после перемножения появляется код NAU N K = NKg MA .

Перед началом следующего цикла интегрирования АЦИ вновь устанавливается в исходное состояние с приходом импульса на вход сброса устройства.

При появлении "1" на входе запуска начинается новый цикл аналого-цифрового интегрирования.

Достоинство предложенного АЦИ состоит в том, что он .работает от двухполярных сигналов, кроме -того, он ре-. агирует на любые изменения полярности входного сигнала в процессе интегрирования. Предложенный АЦИ обеспечивает высокую точность интегрирования.

10i 3978

ВНИИПИ,Зак Тираж 704 П

Филиал ППП "Патент"; г.Ужгород,ул.Проектная,й