Логарифмический аналого-цифровой преобразователь

 

Изобретение относится к информационно-измерительной технике, а также к автоматике и вычислительной технике и используется для решения задач по преобразованию аналоговых сигналов в цифровой код с логарифмической характеристикой . Цель изобретения состоит в увеличении точности преобразования и в расширении динамического диапазона входных сигналов. Для этого в логарифмический АЦП введён источник 3 опорного напряжения , кроме того, преобразователь содержит ключевые элементы 1, 2 и 7, блок 4 суммирования, блок 5 управления и регистрации , операционный усилитель 6, накопительный элемент, выполненный на конденсаторе 8, ограничительный элемент, выполненный на резисторе 9, источник 10 опорного напряжения, компаратор 11, входную шину 12 и шину 13 запуска, причем блок 4суммирования выполнен на резисторах 14-17 и операционном усилителе 18, а блок 5управления и регистрации - на одновибраторе 19, элементе И 20, счетчике 21 и генераторе 22 эталонной частоты. 2 з.п.флы, 3 ил. СО с

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (ss)s Н 03 M 1/62

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

1 (21) 4820272/24 (22) 27,04.90 (46).07.04.92. Бюл, М 13 (71) Научно-испытательный институт химических и строительных машин (72) Ю,А. Курдюмов (53) 681.325 (088,8) (56) Авторское свидетельство СССР

N 1157696, кл, Н 03 M 1/62, 1983, Авторское свидетельство СССР

t4 675597, кл. Н 03 М 1/62, 1978. (54) ЛОГАРИФМИЧЕСКИЙ .АНАЛОГО-

ЦИФРОВОЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ (57) Изобретение относится к информационно-измерительной технике, а также к автоматике и вычислительной технике и используется для решения задач по преобразованию аналоговых сигналов в цифровой код с логарифмической харак„, Я,„, 1725397 А1 теристикой. Цель изобретения состоит в увеличении точности йреобразования и в расширении динамичвского диапазона входных сигналов. Для этого в логарифмический АЦП введен источник 3 опорного напряжения; кроме того, преобразователь содержит ключевые элементы 1, 2 и 7, блок

4 суммирования, блок 5 управления и регистрации, операционный усилитель 6, накопительный элемент, выполненный на конденсаторе 8, ограничительный элемент, выполненный на резисторе 9; источник 10 опорного напряжения, компаратор 11, входную шину 12 и шину 13 запуска, причем блок

4 суммирования выполнен на резисторах

14 — 17 и операционном усилителе 18, а блок

5 управления и регистрации — на одновибраторе 19, элементе И 20; счетчике 21 и генераторе 22 эталонной частоты. 2 з.п.флы, 3 ил.

1725397

Изобретение относится к информационно-измерительной технике, а также к автоматике и вычислительной технике, и используется для решения задач по преобразованию аналоговых сигналов в цифровой код с логарифмической характеристикой.

Известен логарифмический аналогоцифровой преобразователь, содержащий источник опорного напряжения; интегратор, включающий в себя операционный усилитель, времяэадающий резистор и интегрирующий конденсатор, компаратор, функциональный частотный преобразователь, счетчик; триггер, одновибратор, элемент ИЛИ и шесть ключевых элементов, находящихся в соответствующих взаимосвязях.

Недостатком этого преобразователя является невысокая точность измерений, так как на значение постоянной времени его .времязадающей цепи оказывает влияние дрейф (обусловленный воздействием дистабилизирующих факторов — температура ок.ружающей среды, время наработки и т.д,) сопротивления ключа, включенного последовательно с интегрирующим конденсато.ром, Наиболее близким к заявляемому по технической сущности является логарифмический аналого-цифровой преобразователь, содержащий ключ, резистор, конденсатор, усилитель, компаратор, блок управления и регистрации, операционный усилитель, четыре дополнительных ключа и инвертор (блок суммирования), причем вход ключа соединен с выходом операционного усилителя и через первый дополнительный ключ — с его инвертирующим входом, который через второй дополнительный ключ соединен с выходом ключа, вход усилителя через третий дополнительный ключ соединен с его выходом, а через четвертый дополнителный ключ — с общей точкой соединения резистора и конденсатора, выход ключа соединен через блок суммирования с входом компаратора, управляющие входы второго и четвертого дополнительных ключей соединены с первым выходом блока управления и регистрации, второй выход которого соединен с управляющими входами первого и третьего ключей.

Однако поскольку на конденсаторе на.капливается напряжение, пропорциональное ищргралу от суммы напряжений входного сигнала и смещения нуля операционного усилителя, а последующий разряд конДенсатора происходит на шину нулевого потенциала, то это определяет составляющую погрешности преобразования, ограни55

На фиг,1 представлена структурная схема аналого-цифрового преобразователя; на фиг.2 — структурная схема варианта блока управления и регистрации; на фиг.3 — временные диаграммы, поясняющие алгоритм работы аналого-цифрового преобразователя. чивающую также динамический диапазон преобразуемых сигналов с нормированной точностью снизу, причем температурный дрейф напряжения смещения нуля операци5 онных усилителей также вносит дополнительную составляющую погрешности преобразования. Кроме того, алгоритм преобразования не реализует полностью диа- . пазон напряжений операционных

10 усилителей, используя либа положительную, либо отрицательную области.

Целью изобретения является увеличение точности преобразования и расширение динамического диапазона входных

15 сигналов.

Поставленная цель достигается тем, что в логарифмический аналого-цифровой преобразователь, содержащий первый, второй и третий ключи, блок управления и регист20 рации, компаратор, блок суммирования, операционный усилитель, резистор и конденсатор, соединенный первой обкладкой с . первым выводом резистора и выходом третьего ключа, управляющий вход которо25 ro соединен с управляющим входом первого ключа и первым выходом блока управления и регистрации, второй выход блока управления и регистрации подключен к управляющему входу второго ключа, выход которого

30 .соединен с выходом первого ключа, а вход блока управления и регистрации подключен к выходу компаратора, первый вход которого соединен с выходом первого источника опорного напряжения, введен второй ис35 точник опорного напряжения, общая шина которого соединена с шиной нулевого потенциала, а выход подключен к второму входу блока суммирования, первый вход блока суммирования подключен к выходу первого

40 ключа, информационный вход которого соединен с входной шиной преобразователя, а выход блока суммирования подключен к неинвертирующему входу операционного усилителя, инвертирующий вход и выход

45 которого объединены и соединены с общей шиной первого источника опорного напряжения, вторым выводом резистора и информационным входом третьего ключа, выход которого подключен к второму входу компа50 ратора, вторая обкладка конденсатора и информационный вход второго ключа соединены с шиной нулевого потенциала.

1725 397

Анапа о цифровой преобразовательсодержит ключи 1 и 2, источник 3 опорного напряжения (второй), блок 4 суммирования, блок 5 управления и регистрации, операционный усилитель 6, ключ 7, конденсатор 8, резистор 9, источник 10 опорного напряжения (первый), компаратор 11, входную шину

12 и шину 13 запуска.

Блок 4 суммирования (фиг.1) содержит резисторы 14-17 и операционный усилитель 18, причем значения сопротивлений . резисторов связаны следующими соотно-. шениями:

В14 = R15= R17= Й; Я16= — )

R что обеспечивает дпя блока 4 нахождение (со знаком минус) суммы входных напряжений, Блок 5 управления и регистрации (фиг.2) содержит одновибратор 19, элемент И 20, суммирующий счетчик 21 импульсов и генератор 22 импульсов эталонной частоты.

Первая обкладка конденсатора 8 соединена с первым выводом резистора 9 и вйхо-, дом ключа 7, управляющий вход которого соединен с управляющим входом ключа-1 и первым выходом блока 5 управления и регистрации, второй выход блока 5 управления и регистрации подключен к"управляющему входу ключа 2, выход которого соединен с выходом ключа 1, первый вход блока 5 управления и регистрации подключен к выходу компаратора 11, первый вход которого соединен с выходом источника 10 опорного напряжения, общая шина источника 3 опорного напряжения соединена с шиной нулевого потенциала, а выход подключен к.второму входу блока 4 суммирования, первый вход блока 4 суммирования подключен к выходу ключа 1, информационный вход которого соединен с входной.шиной 12 преобразователя, выход блока 4 суммирования подключен к неинвертирующему входу операционного усилителя 6, инвертирующий вход и выход которого обьединены и соединены с общей шиной источника 10 опорного напряжения, вторым выводом резистора 9 и информационным входом ключа 7, выход которого подключен к второму входу компаратора 11, вторая 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 управления и регистрации.

Для ключей 1, 2 и 7 время включения и выключения связано следующими соотношениями: вкл.г твыкл.1 1

Гвикл.г — Гвкл. 1: (r!

Твл.г твыкл.з ° (3) где T«„2 — время включения клю е 2: твы„„1 — время выключения ключа 1; выкл 3 ВРРМЯ ВЫКПЮ ИНИЯ Klll043 7

Твыкл.2 — время выключения ключа 2.

Для источника 3 опорного напряжения величина отрицательного опорного напряжения Uo составляет значение

3 > Оимакс где Uõìàêñ — максимальное значение преобразуемого сигнала (динамический диапазон сигнала — в области положительных значений), Для блока 4 суммирования предельное соотношение между входными и выходными напряжениями для нулевого и максимального уровней преобразуемого сигнала определяется соответственно следующими выражениями: ! (Осм.1 + Uo ) I Олин.1макс, (4) где Uc .1 — напряжение смещения нуля операционного усилителя 18;

UäèH.1ìaKc максимальное линейное значение выходного положительного напряжения операционного усилителя 18;

1 (0кмакс+ Ucv.1+ Uo) U лин.1п)акс, (5)

ГдЕ 0 ли к1макс — МаКСИМаЛЬНОЕ ЛИНЕЙНОЕ значение выходного отрицательного напряжения операционного усилителя 18, Для операционного усилителя 6 предельное соотношение между выходным и входным напряжениями .при нулевом и максимальном уровнях преобразуемого сигнала определяется соответственно следующим выражениями:

О....г — (UcM.1+ О,) Олин.г „с, (6)

Uсм.2 (Охмакс + Осм.1+

40 + Uol) 0 (7)

ГдЕ Осм.2 — НаПряжЕНИЕ СМЕщЕНИя НуЛя Операционного усилителя 6;

Uëèí.ãìàêñ — максимальное линейное значение выходного положительного напряжения операционного. усилителя 6;

U лин.гмакс — МаКСИМаЛЬНОЕ ЛИНЕЙНОЕ значение выходного отрицательного напряжения операционного усилителя 6.

Для источника 10 опорного напряжения величина отрицательного опорного напряжения Uo составляет значение

Il

О Uo < Охмин, 11 . где Uõ èH — минимальное значение преобразуемого сигнала.

Для одновибратора 19 задержки .появления сигналов хз1 и тзг соответственно на прямом и инверсном выходах связаны равенством

<з1 = <32 °

1725397 а длительность сигналов tc определяется следующим выражением: с > гн где г, — время заряда конденсатора 8 при максимальном уровне Охмахс преобразуемого сигнала.

Логарифмический аналого-цифровой преобразователь работает следующим образом.

В исходном состоянии на первом выходе блока 5 управления и регистрации присутствует уровень логического "0", а на втором выходе — уровень логической "1", что определяет разомкнутое состояние ключей

1 и 7 и замкнутое состояние. ключа 2, На первом входе блока 4 суммирования — уровень нулевого потенциала, а на втором входе — уровень Uo, что определяет на выходе

I блока 4 суммирования уровень напряжения

О. 4=-(0+О. + U«.1)=-(U. + U,.1), .I конденсатор 8 через операционный усилитель 6 в режиме повторителя напряжения и резистор 9 заряжен до уровня напряжения

Ох = Овцх.4+ Осм.2 = Осм.2 (Uo +. Осм.1), I что с учетом величины Оо на первом входе .компаратора 11 (эпюра 1, фиг.3в) определяет на выходе компаратора 11 и соответственно на втором входе элемента И 20 уровень логического "0", запрещающий прохождение импульсов генератора 22 на счетный вход счетчика 21 импульсов, исходное состояние разрядов которого любое.

При поступлении на шину 13 запуска сигнала "Пуск" по его переднему фронту происходит установка в нулевое состояние разрядов счетчика 21 импульсов и запуск одновибратора 19, что определяет на прямом и инверсном выходах одновибратора

19 и соответственно на первом и втором выходах блока 5.управления и регистрации наличие импульсов (фиг.3 а,б) длительностью rc. При этом замыкаются ключи 1и 7 и размыкается ключ 2.

В результате преобразуемый сигнал Ux с входной шины 12 через ключ 1, блок 4 суммирования, операционный усилитель 6 и ключ 7 заряжает конденсатор 8 до напряжения

U8 U» Ux = (Осм.2.- Оо — Осм.1) Ux

Далее по задним фронтам импульсов на первом и втором выходах блока 5 управления и регистрации происходит соответствующее размыкание ключей 1 и 7 и замыкание ключа 2, что определяет срабатывание компаратора 11 и установку на его выходе уровня логической "1", а также начало процесса экспоненциального разряда конденсатора

8 через резистор 9 до уровня выходного напряжения операционного усилителя 6, ключа 2 по времени позже момента размы55 кания ключа 7, Ограничение, наложенное выражениями (4) и (5), исключает составляющую погрешности от нелинейности передаточной характеристики операционного усилителя

18 в режиме инвертора с единичным усиле5

50 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 значения напряжения

U8 = О»+ Uo

l II происходит. выключение компаратора 11 с соответствующей установкой на его выходе уровня логического "0" (фиг.3 г) и завершение процесса формирования на выходе компаратора 11 импульса. значение длительности тх которого определяется выражением

1х = Rg С8 lrI

Ох

Uo

II где Rg — значения сопротивления резистора

9;

Св — значение емкости конденсатора 8, причем уровень логического "0" 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

Nx= fo гх= fo Rg С8 ttl

Ux

Uo

II где fo — частота следования импульсов генератора 22 эталонной частоты, причем предельное значение длительности выходного импульса компаратора 11 определяется соотношением хмакс < Тнест. где Teen — период изменения во времени от дестабилизирующих факторов значений !

Оо, Осм,1 и Осм.2.

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

Ограничение, наложенное выражениями (1), (2) и (8), исключает при переключениях ключей 1 и 2 режим КЗ для источника преобразуемого сигнала.

Ограничение, наложенное выражениями (3) и (8), определяет момент замыкания

1725397

5

20

45 ции

55 нием. Ограничение, наложенное выражениями (6) и (7), исключает составляющую по-. грешности от нелинейности передаточной характеристики операционного усилителя 6 в режиме повторителя напряжения, Поскольку в исходном состоянии конденсатор 8 заряжен до уровня напряжения

0Г = (0см.2 — Uo 0см.1), а после запоминания значения О» разряд конденсатора 8 происходит на этот же уровень Vz (причем опорное напряжение Vo

II задано относительно уровня выходного напряжения операционного усилителя 6),.то наличие и нестабильность значений Uo .I

0см.1 И 0см.2, СОСтаВЛЯЮЩИХ УРОВЕНЬ 0д, НЕ сказывается на точности преобразования.

Таким образом, в заявляемом логарифмическом АЦП увеличена точность преобразования за счет исключения составляющих погрешности; обусловленных влиянием напряжения смещения нуля и:дрейфом напряжения смещения нуля операционных усилителей 6 и 18, что кроме этого, позволяет расширить динамический диапазон преобразования сигналов с нормированной точностью, так как удельный вес названных составляющих погрешности значительно возрастает в области небольших уровней преобразуемого сигнала. Кроме того. при преобразовании входных сигналов используются области положительных и отрицательных напряжений операционных усилителей 6 и 18, что определяет расширение динамического диапазона преобразуемого сигнала в два раза.

Поскольку в заявляемом логарифмическом АЦП операционный усилитель 6; ключ

7 и конденсатор 8 представляют собой блок выборки-хранения, то зто позволяет использовать заявляемый преобразователь в режиме квантования входного аналогового сигнала в составе многоканальной измери. тельной системы, для которой (Тс +Тхмакс) ТкВ « "смин, где Тк, — период следования квантующих импульсов(сигналы "Пуск" на шине 13 запуска логарифмического АЦП) измерительной системы;

Тсмин — минимальный период изменения входного преобразуемого сигнала.

Использование заявляемого преобразователя в составе системы измерений (CVI) при проведении испытаний изделий позво° лит сократить количество средств измерений, входящих в состав СИ, за счет его ширакого динамического диапазона. Однако из-за отсутствия данных по объему СИ и количеству испытаний провести расчет экономического эффекта от использовайия преобразователя не представляется возможным.

Формула изобретения

1. Логарифмический аналого-цифровой преобразователь, содержащий первый, второй и третий ключи, блок управления и регистрации, компаратор, блок суммирования, операционный усилитель, токоограничивающий и накопительные элементы, выполненные соответственно на резисторе и конденсаторе, причем первая обкладка конденсатора соединена с первым выводом резистора и выходом третьего ключа, управляюа(ий вход которого объединен с уп равля15 ющим входом первого ключа и соединен с первым выходом блока управления и регистрации, второй выход. блока управления и регистрации. подключен к управляющему входу второго ключа, выход которого объединен с выходом первого ключа, первый вход блока управления и регистрации подключен к выходу компаратора первый вход которого соединен с выходом первого источника опорного напряжения, о т л и ч а25 ю шийся тем, что, с целью увеличения точности преобразования и расширения динамического диапазона входных сигналов, в него введен второй источник опорного напряжения, причем первый вход блока суммирования подключен к выходу первого ключа, информационный вход которого соединен с входной шиной, а второй вход и выход блока суммирования подключены соответственно к выхсду второго источника опорного напряжения и к неинвертирующему входу операционного усилителя, инвентирующий вход которого соединен с его выходом, который соединен с общей шиной первого источника опорного напряжения, вторым выводом резистора и информационным входом третьего ключа, выход которого подключен к второму входу компаратора, при этом общая шина второго источника опорного напряжения, вторая обкладка конденсатора и информационный вход второго ключа объединены и являются шиной нулевого.потенциала; шиной запуска является второй вход блока управления и регистра2, Преобразователь по п.1, о т л и ч а юшийся тем, что блок суммирования выполнен на операционном усилителе, первом, втором, третьем и четвертом резисторах, первые выводы первого, второго и четвертоro резисторов объединены и соединены с инвертирующим входом операционного усилителя, неинвертирующий вход которого через третий резистор соединен с шиной нулевого потенциала, а выход — с вторым выводом четвертого резистора и является

1725397

12 выходом блока. первым и вторым входами которого являются соответственно вторые выводы первого и второго резисторов.

15ыа 28ьв. 1Ьа3

0) 1дых. 5

В 28ых.5

8).8bw, 7

Составитель Ю.Курдюмов

Техред М.Моргентал Корректор О.Ципле

Редактор Л.Гратилло

Заказ 1185 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

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

Производственно-издательский комбинат "Патент", г, Ужгород. ул.Гагарина, 101

3, Преобразователь по п.1, о т л и ч а юшийся тем, что блок управления и регистрации выполнен на одновибраторе, суммирующем счетчике импульсов, элементе И и генераторе эталонной частоты, выход которого соединен с первым входом элемента

И, второй вход которого является первым входом блока, а выход соединен со счетным входом суммирующего счетчика, вход уста5 новки которого объединен с входом одновибратора и является вторым входом блока, прямой и инверсный выходы одновибратора являются соответственно первым и вторым выходами блока.