Логарифмический аналого-цифровой преобразователь — SU 1725397 (original) (raw)
(19) 03 М 1/ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ ИПРИ ГКНТ СССР ТЕТР.ЫТИ ЗОБРЕТЕНИЯ САНИЕ 2 К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВ 1(56) Авторское свидетельство СССРЬЬ 1157696, кл, Н 03 М 1/62, 1983,Авторское свидетельство СССРЬ 675597, кл. Н 03 М 1/62, 1978,(57) Изобретение относится к информационно-измерительной технике, а также к автоматике и вычислительной технике ииспользуется для решения задач попреобразованию аналоговых сигналовв цифровой код с логарифмической характер.истикой. 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.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 смещениянуля операционного усилителя, а последующий разряд конДенсатора происходит на шину нулевого потенциала, то это определяет составляющую погрешности преобразования, ограничивающую также динамический диапазонпреобразуемых сигналов с нормированнойточностью снизу, причем температурныйдрейф напряжения смещения нуля операци 5 . онных усилителей также вносит дополнительную составляющую погрешностипреобразования. Кроме того, алгоритм преобразования не реализует полностью диа- .пазон напряжений операционных10 усилителей, используя либа положительную, либо отрицательную области.Целью изобретения является увеличение точности преобразования и расширение динамического диапазона входных15 сигналов,Поставленная цель достигается тем, чтов логарифмический аналого-цифровой преобразователь, содержащий первый, второйи третий ключи, блок управления и регист 20 рации, компаратор, блок суммирования,операционный усилитель, резистор и конденсатор, соединенный первой обкладкой с .первым выводом резистора и выходомтретьего ключа, управляющий вход которо 25 го соединен с управляющим входом первогоключа и первым выходом блока управленияи регистрации, второй выход блока управления и регистрации подключен к управляющему входу второго ключа, выход которого30 .соединен с выходом первого ключа, а входблока управления и регистрации подключенк выходу компаратора, первый вход которого соединен с выходом первого источникаопорного напряжения, введен второй ис 35 точник опорного напряжения, общая шинакоторого соединена с шиной нулевого потенциала, а выход подключен к второму входу блока суммирования, первый вход блокасуммирования подключен к выходу первого40 ключа, информационный вход которого соединен с входной шиной преобразователя, авыход блока суммирования подключен к неинвертирующему входу операционного усилителя, инвертирующий вход и выход45 которого объединены и соединены с общейшиной первого источника опорного напряжения, вторым выводом резистора и информационным входом третьего ключа, выходкоторого подключен к второму входу компа 50 ратора, вторая обкладка конденсатора и информационный вход второго ключасоединены с шиной нулевого потенциала. На фиг,1 представлена структурная схема аналого-цифрового преобразователя; на фиг,2 - структурная схема варианта блока управления и регистрации; на фиг.З - временные диаграммы, поясняющие алгоритм работы аналого-цифрового преобразователя.Анало 1 о 1 ифровой преобразователь содержит ключи 1 и 2, источник 3 опорногонапряжения (второй), блок 4 суммирования,блок 5 управления и регистрации, операционный усилитель б, ключ 7, конденсатор 8,резистор 9, источник 10 опорного напряжения (первый), компаратор 11, входную шину12 и шину 13 запуска.Блок 4 суммирования (фиг,1) содержитрезисторы 14-17 и операционный усилитель 18, причем значения сопротивлений. Резисторов связаны следующими соотно-.шениями:В 14 = 815 = Я 17 = В; 816 = - )Вчто 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 которогосоединен с управляющим входом ключа:1 ипервым выходом блока 5 управления ирегистрации, второй выход блока 5 управления и регистрации подключен к"управляющему входу ключа 2, выход которогосоединен с выходом ключа 1, первый входблока 5 управления и регистрации подключен к выходу компаратора 11, первый входкоторого соединен с выходом источника 10опорного напряжения, общая шина источника 3 опорного напряжения соединена сшиной нулевого потенциала, а выход подключен к.второму входу блока 4 суммирования, первый вход блока 4 суммированияподключен к выходу ключа 1, информационный вход которого соединен с. входной.шиной 12 преобразователя, выход блока 4суммирования подключен к неинвертирующему входу операционного усилителя 6, инвертирующий вход и выход которогообьединены и соединены с общей шинойисточника 10 опорного напряжения, вторымвыводом резистора 9 и информационнымвходом ключа 7, выход которого подкл 1 оченк второму входу компаратора 11, вторая обкладка конденсатора 8 и информационныйвход ключа 2 объединены и соединены сшиной нулевого потенциала, а шина 13 запуска соединена с вторым входом блока 5управления и регистрации.Для ключей 1, 2 и 7 время включения ивыключения связано следующими соотношениями;Твкл.2 - Твыкл.1 1 Гвыкл.;.Твкл.1 (21Твкл.2Твыкл,З,(1)ГЛЕ Твкл.2 - ВрЕМя ВКЛЮЧЕНИЯ КЛЮ Е 2;Твыкл.1 - ВРЕМЯ ВЫКЛЮЧЕНИЯ КЛЮЧа 1;Твыкл.З - ВрЕМя ВЫКЛЮЧЕНИЯ КЛЮЧа 7,Тюки.2 - вРемя выключения ключа 2.Для источника 3 опорного напряжениявеличина отрицательного опорного напряжения Оо составляет значение110О.1где Охмакс - максимальное значение преобразуемого сигнала (динамический диапазонсигнала - в области положительных значений),Для блока 4 суммирования предельноесоотношение между входными и выходными напряжениями для нулевого и максимального уровней преобразуемого сигналаопределяется соответственно следующимивыражениями:(Осм,1+ Оо)1Олин,1 макс, (4)ГдЕ Осм.1 - НаПряжЕНИЕ СМЕщЕНИя НуЛя ОПЕрационного усилителя 18;Олин.1 макс - МаКСИМапЬНОЕ ЛИНЕЙНОЕзначение выходного положительного напряжения операционного усилителя 18;1(Окмакс+ Осм.1.+ Оо)О лин.1 щакс, (5)ГдЕО лин.1 макс - МаКСИМаЛЬНОЕ ЛИНЕЙНОЕзначение выходного отрицательного напряжения операционного усилителя 18,Для операционного усилителя б предельное соотношение между выходным ивходным напряжениями .при нулевом имаксимальном уровнях преобразуемогосигнала определяется соответственно следующим выражениями:Ос,4.2 (Осм.1 + Оо )Олин.2 макс (6)1Осм.2 - (Охмакс + Осм,1++ Оо) " Олин.2 макс (7)ГдЕ Осм.2 - НаПряжЕНИЕ СМЕщЕНИя Нувя ОПЕрационного усилителя б;Олин.2 макс - МаКСИМаЛЬНОЕ ЛИНЕЙНОЕзначение выходного положительного напряжения операционного. усилителя 6;О лин.2 макс - МаКСИМаЛЬНОЕ ЛИНЕЙНОЕзначение выходного отрицательного напряжения операционного усилителя б.Для источника 10 опорного напряжениявеличина отрицательного опорного напряжения Оо составляет значение110ОоОхмин,11 .где Охмин - минимальное значение преобразуемого сигналаДля одновибратора 19 задержки .появления сигналов тз 1 и тз 2 соответственно напрямом и инверсном выходах связаны равенствомТЗ 1 = ТЗ 210 15 20 25 30 35 40 4550 а длцтельносгь сигналов тсопределяется следующим выражением;гсгнгде гн - время заряда конденсатора 8 при максимальном уровне Охмакс 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 Оо, что определяет на выходеблока 4 суммирования уровень напряжения О,4=-(О+ О.+ Осм 1) =-(О. + Осм.1),.конденсатор 8 через операционный усилитель 6 в режиме повторителя напряжения и резистор 9 заряжен до уровня напряженияОх щ Овых.4+ Осм.2 = Осм,2-(Оо + Осм.1)что с учетом величины Оо на первом входе .компаратора 11 (эпюра 1, фиг,Зв) 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.З а,б) длительностью тс . При этом замыкаются ключи 1 и 7 и размыкается ключ 2.В результате преобразуемый сигнал Ох с входной шины 12 через ключ 1, блок 4 суммирования, операционный усилитель 6 и ключ 7 заряжает конденсатор 8 до напряженияОв О - Ох = (Осм,2." Оо - Осм,1) ОхДалее 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,значение которого равно О. (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 напряженияОв = О+ ОоПпроисходит. выключение компаратора 11 с соответствующей установкой на его выходе уровня логического "О" (фиг.З г) и завершение процесса формирования на выходе компаратора 11 импульса, значение длительности тх которого определяется выра- жением тх = Й 9СвиОхОоПгде В 9 - значения сопротивления резистора9;Св - значение емкости конденсатора 8,причем уровень логического "0" на выходекомпаратора 11 по второму входу элементаИ 20 запрещает прохождение импульсов генератора 22 на счетный вход счетчика 21импульсов.В результате в счетчик 21 импульсов заинтервал времени гх поступит следующееколичество импульсов генератора 22 эталонной частотыЙх = тохх = то9СвиОхОоПгде Ьо - частота следования импульсов генератора 22 эталонной частоты,причем предельное значение длительностивыходного импульса компаратора 11 определяется соотношениемхмаксТнест где Тнест - период изменения во времени от дестабилизирующих факторов значенийОо, 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 ключа 2 по времени позже момента размы кания ключа 7,Ограничение, наложенное выражениями (4) и (5), исключает составляющую погрешности от нелинейности передаточной характеристики операционного усилителя 18 в режиме инвертора с единичным усиле 1725397 10510 20 30 35 40 45 ции 50 нием, Ограничение, наложенное выражениями (6) и (7), исключает составляющую по-.грешности от нелинейности передаточнойхарактеристики операционного усилителя 6в режиме повторителя напряжения,Поскольку в исходном состоянии конденсатор 8 заряжен до уоовня напряженияОг = (Осм.2 - Оо - Осм.1)а после запоминания значения О разрядконденсатора 8 происходит на этот же уровень Ох (причем опорное напряжение Оо11задано относительно уровня выходного напряжения операционного усилителя 6), тоналичие и нестабильность значений 00,.Осы,1 и Осм.2, составляющих уровень О, несказывается на точности преобразования,Таким образом, в заявляемом логарифмическом АЦП увеличена точность преобразования за счет исключения составляющихпогрешности; обусловленных влиянием напряжения смещения нуля и:дрейфом напряжения смещения нуля операционныхусилителей б и 18, что кроме этого,.позволяет расширить динамический диапазон преобразования сигналов с нормированнойточностью, так как удельный вес названныхсоставляющих погрешности значительновозрастает в области небольших уровнейпреобразуемого сигнала. Кроме того, припреобразовании входных сигналов используются области положительных и отрицательных напряжений операционныхусилителей б и 18, что определяет расширение динамического диапазона преобразуемого сигнала в два раза.Поскольку в заявляемом логарифмическом АЦП операционный усилитель 6; ключ7 и конденсатор 8 представляют собой блоквыборки-хранения, то зто позволяет использовать заявляемый преобразователь врежиме квантования входного аналоговогосигнала в составе многоканальной измери. тельной системы, для которой(тс+тхмакс) ТкВ Тсмин,где Ткв - период следования квантующихимпульсов(сигналы "Пуск" на шине 13 запуска логарифмического АЦП) измерительнойсистемы;Темин - минимальный период изменения входного преобразуемого сигналаИспользование заявляемого преобразователя в составе системы измерений (СИ). при проведении испытаний изделий позво лит сократить количество средств измерений, входящих в состав СИ, за счет егоширакого динамического диапазона, Однако из-за отсутствия данных по объему СИ иколичеству 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, управляющий вход которого объединен с уп равля 15 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 выхору компаратора.первый вход которого соединен с выходом первого источника опорного напряжения, о т л и ч а 25 ю щ и й с я 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 регистра 2, Преобразователь по п.1, о т л и ч а ющ и й с я тем, что блок суммирования выполнен на операционном усилителе, первом,втором, третьем и четвертом резисторах, первые выводы первого, второго и четвертого 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 являетсяРедактор Л,Грати орректор О,Ципл Заказ 1185 ВНИИПИ Г Тираж Подписноеарственного комитета по изобретениям и открыти 113035, Москва, Ж, Раушская наб., 4/5 при ГКНТ ССС Про ственно-издательский комбинат "Патент", г, Ужгород. ул.Гагарина, 10 выходом блока. первым и вторым входамикоторого являются соответственно вторыевыводы первого и второго резисторов,3, Преобразователь по п.1, о т л и ч а ющ и й с я 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 уста новки которого объединен с входом одновибратора и является вторым входом блока, прямой и инверсный выходы одновибратора являются соответственно первым и вторым выходами блока,10