Аналого-цифровой преобразователь с расширенным динамическим диапазоном

Авторы патента:

H03M1/18 - Кодирование, декодирование или преобразование кода вообще (с использованием гидравлических или пневматических средств F15C 4/00; оптические аналого-цифровые преобразователи G02F 7/00; кодирование, декодирование или преобразование кода, специально предназначенное для особых случаев применения, см. в соответствующих подклассах, например G01D,G01R,G06F,G06T, G09G,G10L,G11B,G11C;H04B, H04L,H04M, H04N; шифрование или дешифрование для тайнописи или других целей, связанных с секретной перепиской, G09C)

Владельцы патента RU 2485680:

федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Алтайский государственный технический университет им. И.И. Ползунова" (АлтГТУ) (RU)

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в цифровых системах оперативного контроля для измерения аналоговых величин. Техническим результатом является обеспечение возможности оперативного изменения коэффициентов передачи масштабирующего устройства аналого-цифрового преобразователя с расширенным динамическим диапазоном в зависимости от уровня преобразуемого напряжения и формирования выходного кода, соответствующего установленному коэффициенту передачи. Устройство содержит масштабирующее устройство, выполненное с фиксированным набором коэффициентов передачи, аналого-цифровой преобразователь с фиксированным диапазоном, устройство выбора поддиапазонов, число компараторов которого выбирается на единицу меньше числа поддиапазонов, преобразователь кода. 2 ил.

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к аналого-цифровым преобразователям (АЦП), и может быть использовано в цифровых системах оперативного контроля для измерения аналоговых величин.

Известен аналого-цифровой преобразователь, содержащий микроконтроллер со встроенным аналоговым компаратором, биполярный транзистор, эмиттер которого подключен к плюсу источника питания, конденсатор, подключенный к коллектору транзистора и к неинвертирующему входу аналогового компаратора, четыре резистора, из которых первый включен между базой транзистора и дискретным выходом микроконтроллера, а второй, третий и четвертый - соединены первыми выводами в общую точку, которая подключена к инвертирующему входу аналогового компаратора, при этом вторые выводы второго и третьего резисторов подключены к дискретным выходам микроконтроллера, а на второй вывод четвертого резистора подается преобразуемое напряжение (AVR401: 8-битный прецизионный аналого-цифровой преобразователь http://www.electroclub.fatal.rn/RusAVR/Doc/Examples/AVR401/AVR401.htm).

Недостатком описанного устройства является низкое быстродействие, обусловленное необходимостью проведения вычислений для нахождения выходного кода и возрастающим временем преобразования сигнала при увеличении преобразуемого напряжения.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению по технической сущности к достигаемому результату (прототипом) является аналого-цифровой преобразователь с расширенным динамическим диапазоном, содержащий масштабирующее устройство, выполненное с фиксированным набором коэффициентов передачи, на один из входов которого подается преобразуемое напряжение, а выход подключен к входу аналого-цифрового преобразователя с фиксированным диапазоном. При этом масштабирующее устройство выполнено в виде усилителя, коэффициенты передачи которого, не зависящие от уровня преобразуемого напряжения, задаются программатором посредством внешних цепей цифрового интерфейса (http://www.alldatasheet.com/datasheet-pdf/pdf/82672/BURR-BROWN/ADS1256.html).

Недостатком описанного аналого-цифрового преобразователя с расширенным динамическим диапазоном является невозможность оперативного изменения коэффициентов передачи масштабирующего устройства в зависимости от уровня преобразуемого напряжения и отсутствие учета коэффициента передачи масштабирующего устройства в выходном коде.

Предлагаемым изобретением решается задача установки в реальном масштабе времени коэффициентов передачи масштабирующего устройства аналого-цифрового преобразователя с расширенным динамическим диапазоном в зависимости от уровня преобразуемого напряжения и формирования выходного кода, соответствующего установленному коэффициенту передачи.

Для достижения указанного технического результата аналого-цифровой преобразователь с расширенным динамическим диапазоном, содержащий масштабирующее устройство, выполненное с фиксированным набором коэффициентов передачи, на один из входов которого подается преобразуемое напряжение, а выход подключен к входу аналого-цифрового преобразователя с фиксированным диапазоном, снабжен устройством выбора поддиапазонов, число компараторов которого выбирается на единицу меньше числа поддиапазонов, соединенным с преобразователем кода, при этом в устройстве выбора поддиапазонов на первый вход каждого компаратора подается преобразуемое напряжение, на второй вход - опорное напряжение, соответствующее поддиапазону, а выход подключен соответственно к одному из группы входов масштабирующего устройства и одному из входов первой группы преобразователя кода, ко второй группе входов которого подключены выходы разрядов аналого-цифрового преобразователя с фиксированным диапазоном.

Автоматический выбор коэффициента передачи для преобразования быстро меняющихся величин в широком динамическом диапазоне за одно преобразование и приведение выходного кода в соответствие с выбранным коэффициентом передачи масштабирующего устройства достигается наличием устройства выбора поддиапазонов, число компараторов которого выбирается на единицу меньше числа поддиапазонов, соединенного с преобразователем кода, при этом в устройстве выбора поддиапазонов на первый вход каждого компаратора подается преобразуемое напряжение, на второй вход - опорное напряжение, соответствующее поддиапазону, а выход подключен соответственно к одному из группы входов масштабирующего устройства и одному из входов первой группы преобразователя кода, ко второй группе входов которого подключены выходы разрядов аналого-цифрового преобразователя с фиксированным диапазоном.

Предлагаемое изобретение поясняется чертежом, где на фиг.1 показана структурная схема АЦП с расширенным динамическим диапазоном; на фиг.2 - схема реализации масштабирующего устройства. Кроме того, на фиг.1 и 2 использованы следующие обозначения:

U_вх - преобразуемое напряжение;

K₁…K_n-1 - коэффициенты передачи масштабирующего устройства для соответствующих поддиапазонов;

Е_{1 оп}…Е_{n-1 оп} - опорные напряжения, соответствующие поддиапазонам;

R_d0, R₁, R₂, R_d1…R_{d n-1} - резисторы;

D₁ - операционный усилитель;

VT₁…VT_n-1 - полевые транзисторы.

АЦП с расширенным динамическим диапазоном (фиг.1) содержит масштабирующее устройство 1, выполненное с фиксированным набором коэффициентов передачи, на один из входов которого подается преобразуемое напряжение U_вх, а выход подключен к входу АЦП 2 с фиксированным диапазоном. АЦП с расширенным динамическим диапазоном снабжен устройством 3 выбора поддиапазонов, число компараторов 4 которого выбирается на единицу меньше числа (n) поддиапазонов, соединенным с преобразователем кода 5. При этом в устройстве 3 выбора поддиапазонов на первый вход каждого компаратора 4 подается преобразуемое напряжение U_вх, на второй вход - опорное напряжение Е_i _оп, где i равен от 1 до n-1, а выход подключен соответственно к одному из группы входов масштабирующего устройства 1 и одному из входов первой группы преобразователя кода 5, ко второй группе входов которого подключены выходы разрядов АЦП 2 с фиксированным диапазоном. Масштабирующее устройство 1, выполненное с фиксированным набором коэффициентов передачи, содержит (фиг.2) резисторы R_d0, R₁, R₂, R_d1… R_d _n-1, операционный усилитель D₁, полевые транзисторы VT₁… VT_n-1. Операционный усилитель D₁, включенный по схеме неинвертирующего усилителя с коэффициентом передачи, равным отношению сопротивлений резисторов (R₂+R₁)/R₁, где резистор R₂ включен между инвертирующим входом и выходом D₁, a R₁ - между инвертирующим входом и общим проводом (корпусом устройства). Выход операционного усилителя D₁ является выходом масштабирующего устройства 1. Неинвертирующий вход операционного усилителя D₁ соединен с источником преобразуемого напряжения (входом устройства) через добавочный резистор R_d0. К этому же входу D₁ через резисторы R_d1…R_dn-1 подключены стоки полевых транзисторов VT₁…VT_n-1, истоки которых соединены с общим проводом. Транзисторы VT₁…VT_n-1 выполняют функцию электронных ключей, а резисторы R_d1…R_dn-1 совместно с резистором R_do образуют делитель напряжения, задающий уровень входного напряжения, поступающего на неинвертирующий вход операционного усилителя D₁.

АЦП с расширенным динамическим диапазоном работает следующим образом.

На вход масштабирующего устройства 1 и на первый вход каждого компаратора 4 в устройстве 3 выбора поддиапазонов подается преобразуемое напряжение U_вх, уровень которого соответствует первому поддиапазону. С выхода масштабирующего устройства 1 напряжение U_{вх.фикс} подается на вход АЦП 2 с фиксированным диапазоном. Двоичный код N, пропорциональный U_{вх.фикс}=U_вх*K₁, где K₁ - коэффициент передачи масштабирующего устройства 1 для первого поддиапазона, формируется на выходе разрядов АЦП 2 с фиксированным диапазоном и подается на соответствующий вход второй группы преобразователя кода 5. После того как величина преобразуемого напряжения U_вх сравняется с опорным напряжением E₁ компаратора 4 первого поддиапазона, на первом выходе устройства 3 выбора поддиапазонов формируется сигнал управления, а масштабирующее устройство 1 переходит на второй поддиапазон. В этом случае двоичный код N пропорционален U_{вх.фикс}=U_вх*K₂, где K₂ - коэффициент передачи масштабирующего устройства 1 для второго поддиапазона. По мере возрастания преобразуемого напряжения U_вх на выходе устройства 3 выбора поддиапазонов формируется код соответствующего i-го поддиапазона, а масштабирующее устройство 1 переходит на соответствующий коду поддиапазона коэффициент передачи. Двоичный код N на выходе АЦП 2 с фиксированным диапазоном в этом случае пропорционален U_{вх.фикс}=U_вх*K_i, где i - номер поддиапазона, равный от 1 до n.

Соответствие выходного кода АЦП с расширенным динамическим диапазоном входному напряжению U_вх обеспечивает преобразователь кода 5, преобразуя выходной код АЦП 2 с фиксированным диапазоном и код масштабирующего устройства 1 в код, пропорциональный входному напряжению U_вх с неизменным коэффициентом пропорциональности. В качестве преобразователя кода 5 может быть использовано программируемое постоянное запоминающее устройство, в котором выходной код АЦП 2 с фиксированным диапазоном и коэффициент преобразования масштабирующего устройства 1 задают адрес ячеек, хранящих выходной код. Если коэффициенты масштабирования будут кратны 2ⁿ, то преобразователь кода может быть выполнен по схеме с жесткой логикой. Вследствие того что поддиапазон измерения задается с помощью компараторов 4 устройства 3 выбора поддиапазонов, то переключение поддиапазона происходит практически мгновенно за исключением времени задержки переключения компараторов, что обусловливает быстродействие АЦП с расширенным динамическим диапазоном. Например, в случае, когда с помощью АЦП с расширенным динамическим диапазоном необходимо преобразовать в цифровой код аналоговую величину X, в частности напряжение, изменяющуюся в зависимости от дополнительных условий в интервалах от 0 до 100 В, до 1 В или до 0.01 В, а АЦП с фиксированным динамическим диапазоном преобразует напряжение U_{вх. фикс} в диапазоне от 0 до 1 В, тогда для преобразования в код аналоговой величины Х с применением АЦП с расширенным динамическим диапазоном коэффициенты масштабирующего устройства задаются равными соответственно 0.01, 1 и 100, а опорные напряжения двух компараторов - 0,01 и 1 В соответственно. Схема реализации (фиг.2) масштабирующего устройства 1 работает следующим образом. Предположим, на вход устройства 1 подается напряжение, уровень которого соответствует уровню напряжения из первого поддиапазона. Тогда на выходе получим напряжение, равное U_вых=U_вх*K_у, где K_у=(R₁+R₂)/R₁. Когда уровень напряжения сравняется с опорным напряжением E_1оп первого компаратора, включается ключ VT₁. Тогда уровень напряжения на выходе D₁ будет равен U_вых=U_вх*K_y*R_d1/(R₀+R_d1) и происходит переключение устройства на работу во втором поддиапазоне. По мере возрастания входного напряжения до опорного напряжения последнего компаратора E_n-1оп происходит последовательное включение ключей VT₁, …, VT_n-1. Уровень сигнала на выходе масштабирующего устройства для k-го поддиапазона будет равен:

U_вых=U_вх*K_y*R_d/(R_d0+R_d),

где , к=1…n-1

Таким образом, использование предлагаемого изобретения позволяет осуществлять установки в реальном масштабе времени коэффициентов передачи масштабирующего устройства аналого-цифрового преобразователя с расширенным динамическим диапазоном в зависимости от уровня преобразуемого напряжения и формирования выходного кода, соответствующего установленному коэффициенту передачи.

Аналого-цифровой преобразователь с расширенным динамическим диапазоном, содержащий масштабирующее устройство, выполненное с фиксированным набором коэффициентов передачи, на один из входов которого подается преобразуемое напряжение, а выход подключен к входу аналого-цифрового преобразователя с фиксированным диапазоном, отличающийся тем, что он снабжен устройством выбора поддиапазонов, число компараторов которого выбирается на единицу меньше числа поддиапазонов, соединенным с преобразователем кода, при этом в устройстве выбора поддиапазонов на первый вход каждого компаратора подается преобразуемое напряжение, на второй вход - опорное напряжение, соответствующее поддиапазону, а выход подключен соответственно к одному из группы входов масштабирующего устройства и одному из входов первой группы преобразователя кода, ко второй группе входов которого подключены выходы разрядов аналого-цифрового преобразователя с фиксированным диапазоном.

Изобретение относится к измерительной технике и может использоваться для преобразования длительности одиночных временных интервалов (ВИ) наносекундного диапазона, представленных старт- и стоп-импульсами, в цифровой код.

Функциональная структура цифроаналогового преобразования позиционно-знаковых структур аргументов аналоговых сигналов ±m&[1,2mi]f(2n) формата "дополнительный код ru" в аналоговый сигнал управления ±ukf([1,2mi]) (вариант русской логики) // 2480903

Изобретение относится к вычислительной технике и может быть использовано в системах контроля и управления в совокупности с арифметическими устройствами, которые реализуют арифметические процедуры над аргументами, имеющими позиционно-знаковую структуру аргументов аналоговых сигналов.

Способ и система преобразования данных // 2480902

Изобретение относится к области преобразования данных и может быть использовано для выполнения нелинейного преобразования данных над оцифрованным сигналом переменного тока.

Способ автоматического обнаружения сигналов // 2480901

Изобретение относится к радиотехнике, а именно к способам обнаружения сигналов. .

Адаптивное сжатие обратной связи канала, основанное на статистике канала второго порядка // 2478258

Изобретение относится к передаче обратной связи состояния канала в сети мобильной связи и, более конкретно, к способу и устройству для сжатия обратной связи состояния канала адаптивным способом.

Аналого-цифровой преобразователь (ацп) // 2477564

Изобретение относится к устройствам параллельного преобразования аналогового сигнала в цифровые сигналы (коды) и может быть использовано в составе систем обработки и управления сигналами.

Способ автоматического обнаружения сигналов // 2473169

Изобретение относится к способам обнаружения радиосигналов (PC). .

Многоканальный преобразователь аналоговых сигналов в импульсную последовательность, модулированную по времени // 2471287

Изобретение относится к многоканальным системам преобразования и передачи информации с уплотнением по времени и может быть использовано в измерительной технике и устройствах связи.

Твердотельное устройство формирования изображения и система формирования изображения // 2471286

Цифроаналоговый преобразователь на основе одномодовых интегрально-оптических волноводов // 2471218

Изобретение относится к волоконно-оптическим системам связи и обработки информации. .

Цифроаналоговый преобразователь // 2485681

Изобретение относится к измерительной технике, автоматике, а также к технике преобразования цифровых величин в аналоговые

Способ амплитудно-фазовой модуляции высокочастотного сигнала и устройство его реализации // 2488957

Способ цифрового преобразования угла // 2488958

Изобретение относится к области автоматики и вычислительной техники

Преобразователь входного напряжения в длительность импульсов // 2488959

Изобретение относится к информационно-измерительной технике, в частности к преобразователям напряжения в длительность импульсов

Кодовая шкала // 2490790

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к аналого-цифровому преобразованию, а именно к кодовым шкалам преобразователей угла поворота вала в код

Многоканальный преобразователь напряжений в шим-сигналы // 2491714

Изобретение относится к области автоматики и вычислительной техники и может быть использовано в системах автоматического управления

Скоростной преобразователь "аналог - цифра - аналог" с бестактовым поразрядным уравновешиванием // 2491715

Изобретение относится к области вычислительной техники и может использоваться в системах автоматизации для прямого и обратного преобразования аналогового сигнала в цифровой код

Интегрирующий аналого-цифровой преобразователь // 2496228

Изобретение относится к области вычислительной техники и может использоваться в системах управления технологическими процессами, в частности в автоматизированном электроприводе. Техническим результатом является повышение быстродействия устройства. Устройство содержит генератор счетных импульсов, двоичные суммирующие счетчики, дешифратор, логический элемент «n ИЛИ», генератор пилообразного напряжения, сумматор, интегратор, релейный элемент, компараторы, инвертор, логические элементы «3И», элемент задержки, одновибратор, регистры памяти, арифметическо-логическое устройство (АЛУ), вход для подключения к источнику синхроимпульсов, входную и выходную клеммы. 7 ил.

Кодовая шкала // 2497275

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к аналого-цифровому преобразованию, и может быть использовано для преобразования угла поворота вала в код. Техническим результатом является обеспечение осуществления обработки информации в обычном двоичном коде. Кодовая шкала содержит m информационных кодовых дорожек и n=2m считывающих элементов, все информационные кодовые дорожки выполнены в соответствии с символами двоичной последовательности 0011 длиной 4, причем i-я информационная кодовая дорожка (i=1,2…,m) выполнена в соответствии с символами N=4(i-1) периодов двоичной последовательности, вдоль каждой из информационных кодовых дорожек размещены по два считывающих элемента с угловым шагом, кратным δ1=360°/4i, за исключением кратности 4δi где δi величина кванта i-й информационной кодовой дорожки, а δm одновременно величина кванта кодовой шкалы, m двухвходовых сумматоров по модулю два. 1 ил., 3 табл.

Способ цифроаналогового преобразования // 2497276

Изобретение относится к измерительной технике, автоматике, а также к технике преобразования цифровых величин в аналоговые и может быть использовано при создании высокоточных аналого-цифровых преобразователей и систем контроля параметров изделий электронной техники. Техническим результатом является повышение точности и сокращение времени преобразования. В способе цифроаналогового преобразования, включающем получение импульсного сигнала, длительность цикла преобразования которого определяется разрядностью преобразуемого кода, а длительность информационного сигнала пропорциональна преобразуемому коду, последующие нормирование амплитуды полученного сигнала и его фильтрацию в области нижних частот, дополнительно, перед фильтрацией, информационный сигнал формируют в виде последовательности импульсов, дискретно-равномерно расположенных на временной оси в интервале цикла преобразования с их длительностью, кратной периоду колебаний тактового генератора, причем суммарная длительность этих импульсов в цикле преобразования пропорциональна преобразуемому коду. 3 ил., 2 табл.