Функциональный аналогово-цифровой преобразователь

Изобретение относится к электроизмерительной и вычислительной технике и может быть использовано в системах управления электроприводами для преобразования аналогового напряжения в код. Техническим результатом является совмещение в одном устройстве преобразования входного напряжения в цифровой код с выполнением определенной математической операции, ускорение и упрощение обработки информации с различных датчиков, выходной сигнал которых имеет нелинейную зависимость от входной величины. Устройство содержит генератор тактовых импульсов, счетчик, цифроаналоговый преобразователь, компаратор, два набора резисторов, ключи. 2 ил.

 

Изобретение относится к электроизмерительной и вычислительной технике и может быть использовано для преобразования аналогового напряжения в код в системах управления электроприводами.

Известен аналого-цифровой преобразователь (патент №2441317 от 20.09.2010), содержащий вычитатель, на один вход которого подается входное преобразуемое напряжение, а ко второму входу подключен выход цифроаналогового преобразователя, соединенного с выходом реверсивного счетчика, выходы которого являются выходами устройства, тактовый генератор, выход которого подключен к счетному входу реверсивного счетчика, и схему переключения направления счета, к входу которой подключен выход вычитателя, а выход соединен с управляющим входом реверсивного счетчика, согласно изобретению в него введены дополнительный параллельный аналогово-цифровой преобразователь (АЦП) небольшой разрядности, выходы которого подключены к входам цифроаналогового преобразователя (ЦАП), вход подключен к входу устройства, и формирователь импульсов установки реверсивного счетчика, на вход которого подаются импульсы с выхода младшего разряда дополнительного АЦП, а выход подключен к установочному входу реверсивного счетчика. Выходы реверсивного счетчика и дополнительного АЦП являются цифровыми выходами всего устройства.

Недостатком данного аналого-цифрового преобразователя является возможность получения только линейной зависимости между входным напряжением и выходным цифровым кодом.

Наиболее близким к заявленному техническому решению является аналого-цифровой преобразователь, предложенный в патенте РФ №2359403 с приоритетом от 23.10.2007, содержащий регистр последовательных приближений (РПП), цифровые выходы которого соединены с соответствующими выходами "результирующий код" устройства, ЦАП, первый компаратор, первый вход которого соединен с входом преобразуемого напряжения U_вх устройства, а выход подключен к информационному входу РПП, схему управления, первый логический вход которой соединен с входом сигнала "Пуск" устройства, а выход подключен к управляющему входу РПП, генератор тактовых импульсов, выход которого подключен к тактовому входу РПП, причем ЦАП содержит источник опорного напряжения (отрицательное напряжение), n масштабных резисторов (2¹R,…,2ⁿR), первые выводы которых подключены к источнику опорного напряжения, а вторые выводы масштабных резисторов через соответствующие ключи (k₁…k_n) подключены к инвертирующему входу первого операционного усилителя ОУ₁, неинвертирующий вход которого соединен с шиной нулевого потенциала устройства, а выход подключен ко второму входу первого компаратора и через первый резистор R к инвертирующему входу первого операционного усилителя ОУ₁, при этом управляющие входы ключей (k₁…k_n) подключены к соответствующим цифровым выходам РПП, (n+1)-й масштабный резистор (2ⁿ⁺¹R), который вместе с ЦАП образуют блок суммирования, первый вывод (n+1)-го масштабного резистора (2ⁿ⁺¹R) подключен к источнику опорного напряжения, а второй вывод подключен к инвертирующему входу первого операционного усилителя ОУ₁, блок вычитания, включающий второй операционный ОУ₂ и третий дифференциальный ОУ₃ усилители, второй, третий, четвертый, пятый, шестой резисторы (R) и резистор (2ⁿ⁺¹-1)R, причем неинвертирующий вход второго операционного усилителя ОУ₂ соединен с шиной нулевого потенциала устройства, инвертирующий вход второго операционного усилителя ОУ₂ через второй резистор (R) подключен к выходу первого операционного усилителя ОУ₁ и через третий резистор (R) к выходу второго операционного усилителя ОУ₂, выход второго операционного усилителя ОУ₂ через четвертый резистор (R) подключен к инвертирующему входу третьего дифференциального усилителя ОУ₃, неинвертирующий вход которого через резистор (2ⁿ⁺¹-1)R подключен к источнику опорного напряжения, а через пятый резистор (R) к шине нулевого потенциала устройства, инвертирующий вход третьего дифференциального усилителя ОУ₃ через шестой резистор (R) подключен к выходу третьего дифференциального усилителя ОУ₃, выход третьего дифференциального усилителя ОУ₃ подключен ко второму входу второго компаратора, первый вход которого соединен с входом преобразуемого напряжения U_вх устройства, а выход подключен к первому логическому входу элемента "исключающее ИЛИ-НЕ", второй вход которого подключен к выходу первого компаратора, а выход элемента "исключающее ИЛИ-НЕ" подключен ко входу генератора тактовых импульсов ГТИ.

Недостатком устройства является невозможность получения нелинейной зависимости между входным напряжением и выходным цифровым кодом, описываемой необходимой математической операцией.

Технической задачей изобретения является возможность получения на выходе аналого-цифрового преобразователя цифрового кода, связанного с входным напряжением определенной математической операцией.

Поставленная цель достигается тем, что в устройстве, содержащем генератор тактовых импульсов, выход которого соединен со счетчиком, цифроаналоговый преобразователь (ЦАП), на вход которого поступает цифровой код со счетчика, и компаратор, на вход которого подаются входное напряжение и напряжение с выхода ЦАП, согласно изобретению дополнительно введены два набора резисторов, один из которых через ключи соединен с выводом ЦАП, предназначенным для подачи опорного напряжения, а другой через ключи соединен с выводом ЦАП, предназначенным для соединения с землей.

Сущность предлагаемого технического решения заключается в том, что в функциональном аналогово-цифровом преобразователе (АЦП) совмещаются аналогово-цифровое преобразование и выполнение необходимой математической операции над кодом.

На фиг. 1 представлена схема функционального аналого-цифрового преобразователя. На фиг. 2 поясняется принцип функционального аналого-цифрового преобразования с реализацией логарифмической функции.

Функциональный аналого-цифровой преобразователь содержит генератор 1 тактовых импульсов, счетчик 2, компаратор 3, соединенный со входом опорного напряжения, набор резисторов 4, ключи 5, ЦАП 6, ключи 7 и соединенный с землей набор резисторов 8.

Устройство работает следующим образом.

Генератор 1 тактовых импульсов вырабатывает последовательность импульсов, которая поступает на вход счетчика 2. На выходе счетчика 2 формируется цифровой код N, поступающий на входы ключей 5 и 7, а также на вход ЦАП 6. Опорное напряжение U_ОП подается на ЦАП 6 через набор резисторов 4, переключение которых осуществляется ключами 5 в зависимости от цифрового кода N. Соединение ЦАП 6 с землей также осуществляется через набор резисторов 8, переключение которых осуществляется ключами 7 в зависимости от цифрового кода N. В результате на выходе ЦАП 6 формируется напряжение, связанное с цифровым кодом N определенной математической операцией. Это напряжение поступает на один из входов компаратора 3, на другой вход которого подается входное напряжение U_ВХ. Как только напряжение с выхода ЦАП 6 становится больше входного напряжения U_ВХ, компаратор 3 подает управляющий сигнал на счетчик 2, останавливающий процесс счета импульсов. После останова счета выходной код N функционального АЦП считывается с выхода счетчика.

Принцип функционального аналого-цифрового преобразования с реализацией логарифмической функции поясняется на фиг. 2. При помощи наборов резисторов 4 и 8 устанавливается диапазон выходного напряжения от U_i до U_i+1. Это достигается за счет того, что резистор из набора резисторов 4, сопротивление ЦАП 6 и резистор из набора резисторов 8 образуют делитель напряжения, потенциалы выводов которого соответственно равны U_i+1 и U_i. Резисторы в наборах резисторов 4 и 8 подобраны таким образом, чтобы напряжение на выходе ЦАП 6 воспроизводило требуемую функцию, например логарифмическую, как показано на фиг. 2.

Внутри диапазона напряжений от U_i до U_i+1 осуществляется линейная аппроксимация воспроизводимой функции посредством ЦАП 6.

Таким образом, в предложенном устройстве обеспечивается формирование выходного кода функционального АЦП, связанного с входным напряжением не линейно, а определенной математической операцией. Это позволяет ускорить и упростить обработку информации с различных датчиков, выходной сигнал которых имеет нелинейную зависимость от входной величины.

Функциональный аналогово-цифровой преобразователь, содержащий генератор тактовых импульсов, выход которого соединен со счетчиком, цифроаналоговый преобразователь (ЦАП), на вход которого поступает цифровой код со счетчика, и компаратор, на вход которого подаются входное напряжение и напряжение с выхода ЦАП, отличающийся тем, что дополнительно содержит два набора резисторов, один из которых через ключи соединен с выводом ЦАП, предназначенным для подачи опорного напряжения, а другой через ключи соединен с выводом ЦАП, предназначенным для соединения с землей.