Способ времяимпульсного преобразования постоянного напряжения в код и устройство для его осуществления

 

Изобретение относится к измерительной технике. Цель изобретения - повышение быстродействия аналого-цифрового преобразования при сохранении точности. Цель достигается тем, что по способу времяимпульсного преобразования постоянного напряжения в код, основанному на формировании на первом этапе пропорционального входному начального значения основного сигнала, уменьшении его до нуля на втором этапе преобразования, заполнении интервала времени второго этапа импульсами образцовой частоты и формировании кода путем их подсчета, на первом этапе формируют два сигнала одной частоты и фазы, один из которых является образцовым, а другой - подстраиваемым, путем воздействия на подстраиваемый сигнал входным напряжением, изменяют его фазу и по возникшей разности фаз между образцовым и подстраиваемым сигналами формируют начальное значение основного сигнала, а на втором этапе воздействуют основным сигналом на подстраиваемый до равенства нулю разности фаз, а также тем, что в устройстве времяимпульсного преобразования постоянного напряжения в код, содержащем преобразователь напряжения в интервал времени, блок сравнения, измеритель временных интервалов и блок управления, вводят последовательно соединенные ключ, сумматор, подстраиваемый генератор, фазовый детектор, фильтр нижних частот, усилитель постоянного тока. 2 п. ф-лы, 3 ил.

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано при измерении напряжения в системах контроля электрических параметров электронных схем.

Известны способы времяимпульсного АЦП, заключающиеся в том, что измеряемое напряжение сравнивается с напряжением, линейно изменяющимся от нуля до значения U_m. Временной интервал формируется с начала цикла до момента совпадения входного и линейно изменяющегося напряжений.

Устройство для осуществления данного способа содержит устройство сравнения, первый вход которого является входом устройства, а второй вход соединен с выходом генератора линейно изменяющегося от нуля до U_mнапряжения, селектор, первый вход которого соединен с выходом устройства сравнения, а второй - с выходом генератора опорной частоты и счетчика, вход которого соединен с выходом селектора. Время измерения в данном случае постоянно и равно времени возрастания линейно изменяющегося напряжения от нуля до U_m плюс время восстановления исходного состояния на выходе генератора линейно изменяющегося напряжения. Этот интервал времени целиком используется для заполнения импульсами опорной частоты только при измерении максимального входного напряжения. При измерении малых напряжений та часть времени измерения, которая заполняется импульсами опорной частоты, значительно сокращается. Это приводит к неэффективности использования устройств, реализующих указанный способ, при измерении напряжений в широком динамическом диапазоне.

Известен способ времяимпульсного АЦП, заключающийся в том, что входной сигнал сравнивается с двумя парафазными пилообразными напряжениями.

Устройство для осуществления данного способа содержит генератор парафазного пилообразного напряжения с двумя выходами, первый из которых соединен с первым входом первого устройства сравнения, а второй - с первым входом второго устройства сравнения, причем вторые входы устройства сравнения объединены и являются входом устройства, выходы устройства сравнения соединены с входами элемента ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ, выход элемента ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ соединен с первым входом элемента И, второй вход которого соединен с выходом генератора импульсов, а выход - с входом счетчика.

К недостаткам указанных способов и устройств, их реализующих, можно отнести низкую точность из-за влияния нелинейности и крутизны линейно изменяющегося напряжения и низкую помехоустойчивость к сетевой помехе.

Учитывая недостатки, приведенные способы времяимпульсного АЦП при построении вольтметров используются мало.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому эффекту к изобретению является способ времяимпульсного АЦП, согласно которому в первом цикле измеряемое напряжение интегрируется в течение постоянного интервала времени, а во втором цикле напряжение сбрасывается с помощью опорного напряжения.

Известно устройство времяимпульсного преобразования постоянного напряжения в код, выбранное в качестве прототипа, содержащее преобразователь напряжения во временной интервал, выполненный на интеграторе, устройство сравнения, измеритель временных интервалов и блок управления.

Недостаток известных способа и устройства заключается в том, что большую часть времени измерения составляет время подготовительных операций. Время измерения складывается из времени интегрирования входного напряжения и времени интегрирования опорного, противоположного по знаку входному напряжения. Измерение происходит только во втором такте.

В первом такте в течение времени Т_и производится интегрирование входного напряжения U_x, в результате напряжение на выходе интегратора равно U₁= U_xdt = · t, где RC - постоянная времени интегратора; t - независимая переменная величина (время).

В конце интервала интегрирования напряжение на выходе интегратора U₁ = U_xT_и/RC.

В течение второго такта интегрируется опорное напряжение U_оп, имеющее противоположную полярность по отношению к U_x. Интегрирование опорного напряжения продолжается до тех пор, пока выходное напряжение интегратора снова не станет равным нулю. Поэтому в течение времени второго такта напряжение на выходе интегратора U₂(t) = ·T_и- U_опdt = · T_и- · t, а в конце этого периода U₂(t) = · T_и- · T_x, откуда Т_х = U_x˙Т_и/U_оп.

Далее, полученный интервал заполняется импульсами опорной частоты, которые подсчитываются при помощи счетчика.

Таким образом, работа устройства-прототипа, реализующего способ-прототип, делится на два этапа: преобразование входного напряжения в начальную амплитуду убывающего напряжения U₂(t) (происходит интегрирование входного напряжения) и измерение времени существования сигнала U₂(t) при измерении его от начального значения U₁(Т_и) = U_x˙Т_и/RC до нуля.

Интервал времени измеряется путем заполнения его импульсами опорной частоты. Интервал существования напряжения U₂(t) (на выходе интегратора) тем больше, чем больше напряжение U₁(Т_и), полученное в первом такте.

Данный способ получил широкое применение при создании вольтметров благодаря значительному повышению точности по сравнению с методами, приведенными выше, исключению влияния постоянной времени интегратора и высокой помехоустойчивости к сетевой помехе.

Время измерения складывается из времени преобразования входного напряжения U_x в начальную амплитуду U₁(Т_и) изменяющегося сигнала U₂(t) - Т_и и времени существования (уменьшения от U₁(Т_н) до нуля) этого сигнала - Т_х: Т_изм = Т_и + Т_х.

При условии U_{x makc} = U_оп время измерения максимального входного напряжения U_{x makc} равно Т_изм = 2 ˙ Т_х.

Информацию об амплитуде входного сигнала содержит только интервал времени Т_х, а в течение интервала времени Т_и происходят подготовительные операции. В то же время Т_н соизмерим с Т_х (они даже могут быть равны). Это является недостатком указанных способа и устройства.

Цель изобретения - сокращение времени аналого-цифрового преобразования за счет сокращения времени подготовительных операций.

Цель достигается тем, что формируют сигнал образцовой частоты, воздействуя входным сигналом U_x, изменяют фазу образцового сигнала, формируют напряжение U_ф, пропорциональное разности фаз между образцовыми U_о и полученным U_п в результате воздействия входного напряжения U_хсигналами. Амплитуда напряжения U_ф является начальной амплитудой изменяющегося сигнала от U_ф до нуля. Полярность напряжения U_фпротивоположна полярности входного напряжения U_х. Сигналом U_ф, пропорциональным разности фаз, воздействуют на сигнал U_п, уменьшая возникающую разность фаз. При уменьшении разности фаз между сигналами U_oи U_п уменьшается напряжение U_ф. В результате сигнал U_ф уменьшается от начального значения до нуля. Интервал времени существования сигнала U_фзаполняют импульсами опорной частоты. Время существования сигнала U_ф(t) пропорционально начальной амплитуде сигнала, которая, в свою очередь, пропорциональна входному напряжению. Таким образом, цель достигается тем, что начальную амплитуду U_ф изменяющегося сигнала определяют по разности фаз между образцовыми и подстраиваемым сигналами, при этом частота подстраиваемого сигнала определяется уровнем входного сигнала.

Цель достигается также тем, что в устройстве, содержащем преобразователь напряжения во временной интервал, блок сравнения, измеритель временных интервалов и блок управления, преобразователь напряжения во временной интервал выполнен на основе системы фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ), включающей последовательно соединенные ключ, сумматор с двумя входами, подстраиваемый генератор, соединенный с первым входом фазового детектора, фильтр нижних частот, усилитель постоянного тока, соединенный с вторым входом сумматора, а также генератор образцовой частоты, соединенный с вторым входом фазового детектора.

Измеритель временных интервалов содержит элемент И с двумя входами, первый вход которого является входом измерителя, второй вход соединен с выходом генератора опорной частоты, а выход - с входом счетчика, вход "Сброс" которого соединен с выходом блока управления.

Сравнение заявляемых технических решений с прототипами позволило установить соответствие их критерию "новизна". При изучении других технических решений было определено, что система ФАПЧ широко используется в генераторах, синтезаторах частоты, калибраторах фазы и т.д. с целью стабилизации частоты и повышения точности, но во времяимпульсных АЦП с целью повышения быстродействия система ФАПЧ не использовалась.

Схема устройства, реализующего способ, приведена на фиг. 1; схема блока управления - на фиг. 2; временные диаграммы, поясняющие способ и работу устройства, приведены на фиг. 3.

Предлагаемый способ заключается в следующем. Формируют два сигнала одной частоты и фазы, один из которых называют образцовым U_o(t), а другой - подстраиваемым U_п(t). Входным сигналом U_х воздействуют на подстраиваемый сигнал U_п(t) и изменяют фазу этого сигнала. В результате появляется разность фаз Δ ϕ между образцовым U_о(t) и подстраиваемым U_п(t) сигналами. Формируют напряжение U_ф, пропорциональное разности фаз Δ ϕ . Напряжение U_ф противоположно по знаку входному напряжению U_x. Напряжением U_ф воздействуют на подстраиваемый сигнал U_п(t) и изменяют фазу данного сигнала. В результате возникшая разность фаз уменьшается. При уменьшении Δ ϕ уменьшается напряжение U_ф. Интервал времени, в течение которого компенсируется возникшая разность фаз Δ ϕ заполняют импульсами опорной частоты и по их числу судят о напряжении U_x, так как U_ф пропорционально разности фаз Δ ϕ , а разность фазΔ ϕ пропорциональна входному напряжению U_x. Таким образом, в первом такте формируют напряжение U_ф, пропорциональное входному напряжению U_x, во втором такте интервал времени, в течение которого напряжение U_фуменьшается до нуля, заполняют импульсами опорной частоты.

Устройство содержит преобразователь 1 напряжения в интервал времени, на вход которого поступает измеряемое напряжение, а выход соединен с первым входом блока 2 сравнения. Второй вход блока сравнения соединен с общей шиной. Измеритель 3 временных интервалов соединен с выходом блока 2 сравнения. Блок 4 управления соединен с входами преобразователя 1 и измерителя 3. Преобразователь 1 напряжения в интервал времени выполнен на основе системы ФАПЧ, включающей последовательно соединенные ключ 5, сумматор 6 с двумя входами, подстраиваемый генератор 7, соединенный с первым входом фазового детектора 8, фильтр 9 нижних частот, усилитель 10 постоянного тока, соединенный с вторым входом сумматора 6, при этом к второму входу фазового детектора 8 подключен генератор 11 опорной частоты. Блок 4 управления подключен к управляющему входу ключа 5 и к управляющему входу счетчика 12 в измерителе 3 временных интервалов, который содержит также генератор 13 опорной частоты и схему И 14, один вход которой соединен с выходом блока 2 сравнения, а другой - с выходом генератора 13 опорной частоты. Блок 4 управления может быть выполнен в виде обострителя и содержит триггер на элементах 15 и 16 и обостритель импульсов на элементах 17 и 18.

Устройство работает следующим образом.

В момент прихода от блока 4 управления сигнала U_c (по команде "пуск") на управляющий вход ключа 5 входное напряжение U_x через ключ 5 поступает на первый вход сумматора 6. Так как на второй вход сумматора 6 в начальный момент времени поступает с усилителя 10 напряжение, равное нулю, то на управляющий элемент подстраиваемого генератора 7 действует напряжение, равное входному. Благодаря воздействию напряжения U_x на управляющий элемент подстраиваемого генератора 7 происходит скачкообразное изменение фазы Δ ϕ сигнала генератора 7. На выходе фазового детектора 8 появляется напряжение U_ф, пропорциональное возникшему скачку фазы Δ ϕ . Напряжение с выхода фазового детектора 8 через фильтр 9 и усилитель 10 поступает на второй вход сумматора 6. Так как длительность управляющего импульса, приходящего на ключ 5, выбирается очень малой (порядок нескольких наносекунд), то к моменту прихода сигнала на второй, вход сумматора 6, на его первом входе установлено нулевое напряжение. Таким образом, напряжение с фазового детектора 8 U_ф через фильтр 9, усилитель 10 и сумматор 6 поступает на управляющий элемент подстраиваемого генератора 7 и уменьшает возникшую разность фаз Δ ϕ между сигналами образцового 11 и подстраиваемого 7 генераторов. Постепенно разность фаз Δ ϕ сводится к нулю и напряжение на выходе фазового детектора 8 U_ф становится равным нулю. При появлении напряжения на выходе фазового детектора на выходе блока 2 сравнения появляются сигнал логической "1" и разрешает проход импульсов от генератора 13 опорной частоты через схему И 14 на счетчик 12. Перед началом измерения импульсом от блока 4 управления все разряды счетчика 12 обнуляются. После того как возникшая разность фаз Δ ϕ компенсируется и напряжение на выходе фазового детектора 8 U_ф снова становится меньше U_фп, на выходе блока 2 сравнения появляется сигнал логического "0" и прекращается проход импульсов от генератора 13 опорной частоты на счетчик. Длительность импульса на выходе блока 2 сравнения пропорциональна измеряемому напряжению U_x. Чем больше входное напряжение U_x, тем больше напряжение на выходе фазового детектора, а следовательно, и время, в течение которого компенсируется возникшее на выходе фазового детектора напряжение. Изменяя параметры элементов цепи обратной связи фильтра усилителя, можно изменять и время компенсации возникшего на выходе фазового детектора напряжения.

Таким образом, работа устройств, выполненных по указанному способу, делится на два такта: преобразование входного напряжения в начальную амплитуду убывающего сигнала U_ф на выходе фазового детектора и измерение времени существования сигнала U_ф на выходе фазового детектора (U_ф > U_фп).

Время измерения складывается из времени преобразования входного напряжения в начальную амплитуду сигнала на выходе фазового детектора U_ф- Т₁ и времени существования этого сигнала - Т_х: T_изм = Т₁ + Т_х.

Время компенсации возникшего на выходе фазового детектора напряжения U_ф целиком определяется инерционностью цепи обратной связи, а время установления фазы подстраиваемого генератора можно принять равным нулю. Исходя из вышесказанного, время Т₁ можно считать равным нулю. Отсюда время измерения Т_изм = Т_х.

Учитывая, что при одинаковой опорной частоте, разрешающей способности и одинаковом напряжении U_x время Т_х одинаково (интервал времени, который заполняется опорной частотой) для заявляемого устройства и прототипа, имеют сокращение времени измерения в 2 раза, так как у прототипа Т_изм = 2 Т_х, а по предлагаемому способу Т_изм= = Т_х.

Таким образом, предлагаемый способ при измерении максимально допустимого входного напряжения сокращает время преобразования в 2 раза. При измерении напряжений, меньших максимально допустимого, экономия времени еще большая. Именно заявленная компоновка схемы и ее параметры обеспечивают сокращение времени измерения напряжения.

Использование предлагаемых способа времяимпульсного АЦП и устройства позволяет по сравнению с существующим и способами устройствами получить значительное сокращение времени измерения, что важно, например, при использовании их в системах контроля электрических параметров электронных схем. В связи с широким применением в промышленности микропроцессоров, БИС и аналоговых интегральных схем повышенной сложности возникли сложности, связанные с резким увеличением требуемого объема контрольно-диагностических операций, составляющих около 50% общей трудоемкости изготовления электронных изделий. Учитывая, что при контроле современных БИС число тестовых посылок может достигать 500000, становится очевидной необходимость снижения затрат времени на каждую операцию. Это значительно снижает стоимость электронных изделий. Кроме того, изобретение может использоваться в экспериментах при создании быстродействующих многоразрядных средств измерения напряжений.

Формула изобретения

1. Способ времяимпульсного преобразования постоянного напряжения в код, основанный на формировании на первом этапе начального значения основного сигнала, пропорционального входному напряжению, уменьшении его до нуля на втором этапе, заполнение интервала времени от начала до конца второго этапа импульсами образцовой частоты и формировании хода путем их подсчета, отличающийся тем, что, с целью повышения быстродействия при сохранении точности, дополнительно на первом этапе формируют образцовый и подстраиваемый сигналы с одинаковыми частотой и фазой, путем воздействия на последний входным напряжением изменяют его фазу, при формировании начального значения основного сигнала в качестве последнего используют сигнал, противоположный по знаку входному напряжению и пропорциональный разности фаз образцового сигнала и подстариваемого сигнала с измененной фазой, а на втором этапе, воздействуя основным сигналом на подстраиваемый, изменяют его фазу до тех пор, пока разность фаз его и образцового сигнала не станет равной нулю.

2. Устройство для времяимпульсного преобразования постоянного напряжения в код, содержащее преобразователь напряжения в интервал времени, выполненный на генераторе образцовой частоты и ключе, информационный вход которого является входной шиной, а управляющий вход соединен с первым выходом блока управления, второй выход которого соединен с первым входом измерителя временных интервалов, выходы которого являются выходной шиной, а второй вход соединен с выходом блока сравнения, входы которого подключены к выходу преобразователя напряжения в интервал времени, отличающееся тем, что, с целью повышения быстродействия при сохранении точности, в преобразователь напряжения в интервал времени введены последовательно соединенные сумматор, подстраиваемый генератор, фазовый детектор, фильтр нижних частот и усилитель постоянного тока, выход которого соединен с первым входом сумматора, второй вход которого соединен с выходом ключа, выход генератора образцовой частоты соединен с вторым входом фазового детектора, выход которого является выходом преобразователя напряжения в интервал времени.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3