Аналого-цифровой преобразователь с компенсационным интегрированием

 

Изобретение относится к электроизмерительной технике. Цель изобретения - повышение быстродействия при преобразовании малых аналоговых сигналов . В состав аналого-цифрового преобразователя (АЦП) с компенсационным интегрированием входят последова .тельно соединенные интегратор (И), компаратор (К) и цифровое счетное устройство (ЦСУ). Преобразование происходит за два такта. В первом такте И интегрирует ток с источника входного сигнала отрицательной полярности. При этом его выходное напряжение возрастает . Во втором такте И интегрирует ток с источника опорного напряжения положительной полярности. При этом выходное напряжение И убывает, К определяет момент его прохождения нулевого уровня и выдает сигнал на вход ЦСУ. В результате в ЦСУ оказывается записанным код, пропорционапьньш входном напря.Кению. Для повышения чувствительности и точности работы К выполнен в виде последопате. и.ио соединенных первого и второго ционных усилителей (ОУ). Когда напряжение на выходе И меньше Нулевого уровня, на выходе первого ОУ формируется сигнал большой величшты отрицательной полярности. Этот сигнал, поступая на базу первого входного биполярного п - р - п-транзистора дифференциального входного каскада второго ОУ, запирает его. При этом второй входной биполярный транзистор этого каскада открывается. Через его базу, являющуюся вторым входом компаратора , начинает протекать ток. В первом такте этот ток на входе И суь мируется с током с источника входного сигнала. Это приводит к повышению быстродействия АЦП особенно при преобразовании малых входных сигналов за счет сокращения времени перезаряда конденсатора И от исходного уровня до нулевого. Когда напряжение на выходе И превышает нулевой уровень, сигнал на выходе первого.-ОУ достигает высокого уровня полояа тельной полярности . При этом первый транзистор дифференциального каскада второго ОУ полностью открывается, а второй за счет общей эмиттерной связи запирается . Ток на базе последнего падает до нуля, т.е. отключается от входа И, что исключает влияние связи между входом И и вторым входом К яа результат преобразователя. В результате повышается быстродействие АЩ1 без увеличения погрешности прео6ра.. 1 3.п. ф-лы, 2 ил. (Л г .жша 4i ОС KS «ч «ч а :j:

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СО1 1ИАЛИСТИЧЕСНИХ

РЕСПУБЛИН (51)4 Н 03 М 1/52

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

g 1 «

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ СССР

ПО.ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ

H АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4121096/24-24 (22) 19.09.86 (46) 23. 10. 88. Бюл. У 39 (72) Л. А. Демидов (53) 681.325(088.8) (56) Развертывающие системы./Под ред.

В.Л.Славинского, 1976, с, 197-207, рис. 2-4.

Проектирование и применение операционных усилителей./Под ред. Грэма и др., 1974, с. 375-377, рис. 9-14. (54) АНАЛОГО-ЦИФРОВОЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЪ С KOMIEHCAUHOHHbIH ИНТЕГРИРОВАНИЕМ (57) Изобретение относится к электроизмерительной технике. Цель изобретения — повышение быстродействия при преобразовании малых аналоговых сигналов. В состав аналога-цифрового преобразователя (АЦП) с компенсационным интегрированием входят последовательно соединенные интегратор (И), компаратор (К) и цифровое счетное устройство (ЦСУ). Преобразование происходит за два такта. В первом такте

И интегрирует ток с источника входпога сигнала отрицательной полярности.

При этом его выходное напряжение возрастает. Во втором такте И интегрирует ток с источника опорного напряжения положительной полярности. При этом выходное напряжение И убывает, К определяет момент его прохождения нулевого уровня и выдает сигнал на вход ЦСУ. В результате в .ЦСУ оказывается записанным код, пропорциональный входному напря.кению. Для повышения чувствительности и точности рабо„»SU«1432773 тъ| К выполнен в виде паследовате.,н . соединенных первого и второго о:; ционных усилителей (ОУ) . Когда напряжение на выходе И меньше нулевого уровня, на выходе первого ОУ фар:п -руется сигнал большой величшь) атрп— цательной полярности. Этот сигнал, поступая на базу первого входного биполярного n — р — n-транзистора дифференциального входного каскада второго ОУ, запирает его. При этом второй входной биполярный транзистор этого каскада открывается ° Через его базу, являющуюся вторым входом компаратора, начинает протекать ток. В первом такте этот ток на входе И сум" g мируется с током с источника вхадного сигнала. Это приводит к повышении быстродействия АЦП особенно при пре-! образовании малых входных сигналов за счет сокращения времени перезаряда конденсатора И от исходного уровня до нулевого. Когда напряжение на выходе И превышает нулевой уровень, agh сигнал на выходе первого,.ОУ достига- ЯД ет высокого уровня положительной полярности. При этом первый транзистор е, 1 дифференциального каскада второго ОУ полностью открывается, а второй за счет обшей эмиттерной связи запирается. Так на базе последнего падает до нуля, т.е. отключаегся от входа И, что исключает влияние связи между входом И и вторым входом К на р аульл тат преобразователя. В результате поа«« вышается быстродействие АЦП без увеличения погрешности преобра. .ования.

1 з.п. ф-лы, 2 ил. 1432773

Изобретение относится к электроизмерительной технике.

Цель изобретения — повышение быстродействия при преобразовании малых

5 входных напряжений, Ка фиг.! изображена структурная схема АЦП; на фиг.2 — временные диаграммы выходных сигналов элементов преобразователя. 10

Преобразователь содержит источник

1 опорного напряжения, переключатель

2, токоограничивающий элемент (резистор) 3, интегратор 4, компаратор 5, элемент И 6, импульсный генератор 7, счетчик 8. Интегратор 4 выполнен на операционном усилителе 9, накопительном элементе (конденсаторе) 10 и дио" де 11, а компаратор — на операционном усилителе 12, двух резисторах 13 20 и 14 и операционном усилителе 15, состоящем из двух биполярных n — р — итранзисторов 16 и 17, генератора 18 тока, элемента 19 нагрузки, выходного усилителя 20. 25

Преобразователь работает следующим образом.

При поступлении импульса (фиг.2, диаграмма 21) на клемму "Запуск" все разряды счетчика 8 принимают нулевое значение. Сигнал с выхода старшего разряда счетчика 8, поступая на управляющий вход переключателя, подключает к входу интегратора 4 через резистор 3 входное напряжение отрицательной полярности с клеммы "Вход".

Временная диаграмма тока на входе интегратора обозначена позицией 22.

Напряжение на выходе интегратора

4 начинает увеличиваться от уровня ®0 ограничения, равного падению напряжения на диоде ll. При этом вследствие того, что выходное напряжение интегратора 4, поступающее через резистор

13 на неинвертирующий вход первого операционного усилителя 12 компаратора 5, меньше нулевого потенциала на инвертирующем входе первого операционного усилителя 12, выходной сигнал последнего (фиг.2, диаграмма 23) принимает максимальное значение отрицательной полярности. Этот сигнал поступает через резистор 14 в базовую цепь первого биполярного n — р — птранзистора операционного усилителя 15.

S5

Неинвертирующий вход операционного усилителя 9 подключен к шине нулевого потенциала, поэтому за счет охвата его через конденсатор 10 отрицательной обратной связью потенциал на его инвертирующем входе бли.- ок к нулевому. Этот лотенпиал, поступая на базу второго транзистора 17 операционного усилителя 15, формирует ток через переход база-эмиттер, генератор 18 тока к клемме отрицательного потенциала. Базовый ток I второгo транзистора 17 (фиг.2, диаграмма 24) протекает от входа интегратора 4 к второму входу компаратора 5. Его нап— равление совпадает с направлением тока I протекающего через резистор

3. В результате ток на выходе интегратора 4 I,, а следовательно, и ток заряда конденсатора (фиг.2, диаграмма 25) определяется выражением Тц

Ipq + I. Это сокращает мертвое время работы АЦП, т.е. время переэаряда конденсатора 10 интегратора 4 от уровня ограничения до уровня срабатывания компаратора 5 при маль|х входных сигналах, и делает его конечным для нулевого входного напряжения.

При достижении выходным напряжением интегратора 4 (фиг.2, диаграмма

26) нулевого уровня сигнал на выходе операционного усилителя 12 компаратора 5 эа счет большого коэффициента усиления принимает максимальное значение положительной полярности. Этот сигнал, поступая через резистор 14 на инвертирующий вход операционного усилителя 15, т ° е. в базов ю цепь первого биполярного n — р — п-транзистора операционного усилителя 15, вводит его в насыщение.. При этом за счет отрицательной обратной связи через общую эмиттерную цепь второй биполярный n — р — n-транзистор запирается. Входной ток этого транзистора, т.е. ток неинвертирующего входа операционного усилителя 15, прекращает протекать, так как от входа интегра— тора отключается ток с второго входа комнаратора 5. При этом интегратор 4 начинает интегрировать только ток с источника входного сигнала.

Выходной усилитель 20 усиливает сигнал с элемента 19 нагрузки коллекторов транзисторов 16 и 17 операционного усилителя 15 и за счет высокого

1 коэффициента усиления повышает точность момента срабатывания компаратора 5. Сформированный íà его выходе положительный сигнал поступает на один из входов элемента И 6 и снима14 32 ет бло киро Вку прохожде ния импульсо Б с выхода импульсного генератора 1 на вход счетчика 8. Причем это происходит после момента отключения тока второго входа компаратора 5 от входа интегратора 4, так как сигнал на выходе операционного усилителя 15 изменяется после из †. менения сигнала íà его входе. Поэтому цепь формирования заряда конденсатора 10 от уровня ограничения выходного напряжения интегратора 4 до . уровня срабатывания компаратора 5 не вносит дополнительной погрешности и преобразование входного напряжения.

В момент, когда старший разряд счетчика 8 принимает единичное значение, его выходной сигнал, поступая на управлянлций вход переключателя 2, отключает от вывода резистора 3 клемму Вход и подключает к нему выход источника 1 опорного напряжения положительной полярности.

25

В момент повторного срабатывания компаратора 5 к входу интегратора 4 вновь подключается ток с второго вхо- 4 да компаратора, что замедляет перезаряд конденсатора 10 интегратора 4 от уровня срабатывания до уровня ограничения. В случае поступления импульса на клемму Запуск в момент, когда 45 выходное напряжение интегратора не достигло уровня ограничения, еще более сокращается "мертвое" время работы AIUI — время перезаряда конденсатора интегратора от исходного уровня до уровня срабатывания компаратора 5, что также повышает быстродейст- вие преобразования АЦП.

При достижении выходным напряжением интегратора 4 вновь нулевого уровня компаратор 5 срабатывает повторно.

Его выходной сигнал, поступая на один ЗО их входов элемента И 6, блокирует прохождение импульсов с выхода импульсного генератора на счетный вход счетчика 8, в котором оказывается записанным число, пропорциональное входному напряжению.

С р и у л я и:1 о i!;> е т с ) 1

1. Лналого-цифровой преобразовательсль с компенсационным интегрированием, содержащий переключатель, первый информационный вход которого является входной шиной, второй информационный вход соединен с выходом источника опорного напряжения, а выход через токоограничивающий элемент соединен с входом интегратора, выход подключен к первому входу компарагора, выход которого соединен с первым входом элемента И, второй вход которого подключен к выходу импульсного генератора, а выход соединен с первым входом счетчика, второй вход которого является управляющей шиной, а выход соединен с управляющим «ходом переключателя, о т л и ч а ю— шийся тем, что, с целью повышения быстродействия при преобразовании малых входных сигналов, второй вход компаратора объединен с входом интегратора.

2. Преобразователь по и. l, о т— л и ч а ю шийся тем, что компаратор выполнен на двух резисторах и двух операционных усилителях, первый из которых выполнен на двух биполярных n — р — n-транзисторах, элементе нагрузки, генераторе тока, выходном усилителе, входы которого подключены к коллекторам биполярных п — р — пгранэисторов соответственно, база первого иэ которых через первый резистор подключена к выходу второго операционного усилителя, инвертирующий вход которого через второй резистор подключен к общей шине, а неинвертирующий вход является первым входом компаратора, вторым входом которого является база второго биполярного и — р — n-транзистора, эмиттер которого объединен с эмиттером перво" го биполярного п — р — n-транзистора и через генератор тока подключен к шине питания отрицательной полярности, а коллекторы через элемент нагрузки соединены с шиной питания положительной полярности, выход выходного усилителя является выходом компаратора.

1432773

Со ст ави тель В, Махи аков

Техред М.Дидык Корректор М.Пожо

Редактор В.Петраш

Заказ 5463/54

Тираж 929 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Производственно-полиграфическое предприятие, г. Ужгород, ул. Проектная, 4