ДВУХДИАПАЗОННЫЙ АНАЛОГО-ЦИФРОВОЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ С АВТОМАТИЧЕСКИМ ПЕРЕКЛЮЧЕНИЕМ ПРЕДЕЛОВ
DUAL-RANGE ANALOGUE-TO-DIGITAL CONVERTER WITH AUTOMATIC LIMIT SWITCHING

Изобретение относится к аналого-дискретной технике и может быть использовано в аналого-цифровых преобразователях (АЦП), построенных на основе преобразователей «ток - частота» (ПТЧ) или «напряжение - частота» (ПНЧ).
Известен многопредельный АЦП (SU 785989). Недостатком устройства является то, что дополнительный АЦП или компаратор уровней влияет на входной сигнал ПНЧ, переключение уровней происходит в зависимости от тока, а не напряжения, что может быть важно при использовании ПНЧ для измерения сигналов в приборах с токовой обратной связью, не происходит непрерывности измерения при переключении предела измерения.
Наиболее близким к предлагаемому устройству является «Устройство для регулирования рабочего диапазона входных сигналов и способ управления рабочим диапазоном цифрового приемника» (RU 2154339), содержащее АЦП с входом для аналогового сигнала, с выходом преобразованного в цифровую форму сигнала и с входом для регулирования диапазона. Устройство содержит детектор уровня, соединенный с выходом преобразованного в цифровую форму сигнала и имеющий выход для детектора уровня, соответствующий уровню входного аналогового сигнала, компаратор, имеющий, по меньшей мере, первый вход, соединенный с выходом детектора уровня, второй вход, соединенный с источником эталонной величины, и выход сигнала результата сравнения, контроллер диапазона, имеющий вход, соединенный с выходом сигнала результата сравнения, и выход, соединенный с входом регулирования диапазона, и выполненный таким образом, что контроллер диапазона регулирует диапазон аналоговых сигналов с допустимой пиковой величиной, в пределах которого АЦП преобразует аналоговые сигналы в цифровые.
Недостатком описанного в патенте устройства является то, что регулируется лишь эталонная величина АЦП, но не регулируется время, из-за чего масштабный коэффициент АЦП не постоянен, так же выбор диапазона происходит после обработки сигнала, так как сравнение уровня происходит с помощью квантованного сигнала.
Стандартная схема АЦП на основе ПТЧ или ПНЧ приведена на фиг. 1.
эт
эт
эт
эт
эт
эт
АЦП «ток - частота» представляет собой интегрирующий АЦП, в котором происходит преобразование аналогового сигнала (электрического тока) в дискретную форму на основе уравновешивания входного и эталонного зарядов. Принцип работы преобразователя заключается в том, что на интегратор (1) поступает измеряемый аналоговый сигнал - входной ток, выходное напряжение интегратора пропорционально накопленному заряду. Выходной сигнал интегратора, представляющий из себя уровень напряжения, подключен к блоку компараторов (2). Блок компараторов, соединенный с интегратором и логическим устройством (3), представляет собой устройство сравнивающее выходное напряжение интегратора с двумя пороговыми уровнями напряжения. При совпадении выходного напряжения интегратора с одним из пороговых уровней, с блока компараторов поступает сигнал на логическое устройство, где формируются сигнал управления ключевой схемой (4) и выходная информация АЦП, представленная в дискретной форме (в виде последовательности импульсов), либо в кодовой (в виде цифрового кода). В результате блок компараторов определяет полярность входного тока и служит для выдачи управляющего сигнала на логическое устройство. При помощи ключевой схемы происходит подключение источника эталонного тока (5) к интегратору на эталонное время, заданное логическим устройством. Таким образом реализуется отрицательная обратная связь, чтобы с интегратора списался эталонный заряд q=i⋅τ, где q - эталонный заряд АЦП, i - эталонный ток АЦП, равный максимально возможному входному току, τ - эталонное время АЦП.
вых
вx
эт
вх
Частота выдачи команд на ключевую схему пропорциональна входному току и равняется f=i/q, где i - входной ток АЦП.
АЦП, построенный по схеме «напряжение - частота», отличается от АЦП по схеме «ток - частота» тем, что для ПНЧ эталонный и входной заряды формируются на основе источников напряжения, подключенных к преобразователю «напряжение - ток», входящего в состав интегратора.
эт
эт
Как следует из формул эталонного заряда и выходной частоты, АЦП не может преобразовать ток больше эталонного и его выходная частота не может превышать величины 1/Т, где Т - эталонное время, на которое источник эталонного тока подключается к интегратору. При этом для повышения точности и уменьшения влияния фронта сигнала управления ключевой схемой эталонное время стремятся увеличить, а для увеличения чувствительности и уменьшения энергопотребления эталонный ток пытаются уменьшить.
Задача, решаемая заявляемым изобретением, заключается в расширении диапазона работы АЦП с сохранением точностных характеристик изделия в диапазоне рабочих входных сигналов и сохранением масштабного коэффициента в расширенном диапазоне входных токов.
Поставленная задача достигается тем, что пределы переключаются не только с помощью масштабирования эталонного источника, а с помощью масштабирования эталонного тока с сохранением значения эталонного заряда путем пропорционального уменьшения эталонного времени. При этом для увеличения быстродействия и простоты реализации переключения диапазонов пороговое устройство (блок перенапряжения) установлено по входу АЦП, а не выходу.
Схема двухдиапазонного АЦП с автоматическим переключением пределов, предлагаемого к патентованию, приведена на фиг. 2. Двухдиапазонный АЦП с автоматическим переключением пределов содержит блок перенапряжения (БПН) (является функциональным эквивалентом детектора уровня) (6), блок переключения диапазонов (БПД) (является эквивалентом контроллера диапазона) (7), АЦП (8), формирователь тока перегрузки (ФТП) (9). АЦП состоит из интегратора, блока компараторов, логического устройства, ключевой схемы, источника эталонного тока. БПН, приведенный на фиг. 3, содержит два оптрона (10 и 11) и резистор (12). Связи в двухдиапазонном АЦП с автоматическим переключением пределов построены следующим образом: БПН устанавливается по входу схемы. На вход БПН подается измеряемый аналоговый сигнал, в БПН установлен резистор, подключенный параллельно входам двух оптронов, выходы оптронов, являющиеся первым и вторым выходами БПН, соединены соответственно с положительным и отрицательным входами БПД, а вывод резистора, являющийся третьим выходом БПН, соединен с первым входом интегратора, первый и второй выходы БПД соединены соответственно с входом переключения диапазона логического устройства и входом управления ФТП, положительный и отрицательный выходы логического устройства соединены соответственно с положительным и отрицательным входами управления ключевой схемы, выход ФТП соединен с входом источника эталонного тока, выход источника эталонного тока соединен с входом коммутации ключевой схемы, выход которой подключен ко второму входу интегратора, выход которого соединен с входом блока компараторов, положительный и отрицательный выходы которого соответственно соединены с положительным и отрицательным входами логического устройства, которое подает дискретный или цифровой сигнал на выход схемы.
Для решения задачи по расширению диапазона работы АЦП, введены следующие блоки:
- БПН, диаграмма работы которого представлена на фиг. 4;
- БПД;
- ФТП. ФТП и источник эталонного тока связаны друг с другом. Варианты их исполнения представлены на фиг. 5 и фиг. 6.
БПН состоит из двух оптронов, необходимых для исключения токов утечек измеряемого сигнала, входы которых подключены параллельно резистору, задающему включение дополнительного диапазона. При достижении падения напряжения на резисторе величины достаточной для открытия оптрона, на выходе оптрона формируется сигнал, поступающий на БПД. БПД связан с логическим устройством и управляет длительностью эталонного времени, формируемого логическим устройством, необходимого для управления ключевой схемой; и с ФТП, и управляет величиной эталонного заряда. Также при приходе управляющего сигнала с БПД на дополнительном выходе «признак перенапряжения» (на фиг. не указан) формируется опорная частота. Данный выход необходим для определения времени работы АЦП в режиме «перенапряжение». При закрытии оптрона, БПД формирует сигнал, приводящий эталонные время и заряд к первоначальным величинам, опорная частота на дополнительном выходе «признак перенапряжения» не формируется.
эт
эт
ст
эт
ст
эт
эт
ст
ст20
эт
эт
ст
эт
21
эт
21
ФТП подключается к источнику эталонного тока таким образом, чтобы после прихода сигнала с БПД увеличить амплитуду эталонного тока i. Источник эталонного тока построен на источнике напряжения (13), полевом транзисторе (14), операционном усилителе (15), эталонном резисторе (16) и источнике опорного напряжения, состоящим из стабилитрона (17) и резистора (18). Эталонный ток протекает через эталонный резистор R и формируется за счет падения напряжения, уровень которого равен напряжению стабилизации U стабилитрона, т.е. i=U / R. В варианте исполнения ФТП, представленного на фиг. 5, после замыкания ключа (19) обеспечивается увеличение эталонного тока за счет увеличения падения напряжения на эталонном резисторе на величину падения напряжения на стабилитроне (20) таким образом, что i=(U+U)/R. В варианте исполнения ФТП, представленного на фиг.6, увеличение эталонного тока обеспечивается за счет подключения резистора (21) параллельно эталонному резистору за счет размыкания ключа (22) таким образом, что i=U/((R⋅R)/(R+R)).
Временная диаграмма работы двухдиапазонного АЦП показана на фиг.7. В БПД формируется сигнал управления, синхронизированный с концом «списывания» АЦП, который поступает на логическое устройство и ФТП. При приходе управляющего сигнала с БПД эталонный ток возрастает во столько раз, во сколько уменьшается эталонное время для сохранения величины эталонного заряда:
эт
эт
эт
эт
эт
П
П
q=i⋅τ=i⋅τ
где:
эт
q - эталонный заряд АЦП;
эт
i - эталонный ток АЦП, равный максимально возможному входному току;
эт
τ - эталонное время АЦП;
эт
эт
П
П
i,τ - эталонные ток и время в режиме «перенапряжение» (обеспечения расширенного диапазона).
вых
вх
эт
вх
эт
Так как выходная частота АЦП равняется f=i/q, где i - входной ток ПНЧ, то коэффициент преобразования К=l/q. При сохранении величины эталонного заряда коэффициент преобразования АЦП сохранится. Также при приходе управляющего сигнала с БПД на дополнительном выходе «признак перенапряжения» формируется опорная частота. Данный выход необходим для определения времени работы АЦП в режиме «перенапряжение».
Технический результат заключается в расширении диапазона работы АЦП с сохранением точностных характеристик изделия во всем рабочем диапазоне входных токов и сохранением масштабного коэффициента в расширенном диапазоне входных токов.
Таким образом, заявлен двухдиапазонный АЦП с автоматическим переключением пределов, содержащий АЦП, БПН и БПД, в котором используется АЦП на основе преобразователей либо «ток - частота», либо «напряжение - частота», БПН является входом схемы, через который протекает измеряемый аналоговый сигнал, первый и второй выходы БПН соединены соответственно с положительным и отрицательным входами БПД, а третий выход БПН соединен с первым входом интегратора АЦП, первый и второй выходы БПД соединены соответственно с входом переключения диапазона логического устройства АЦП и входом управления ФТП, положительный и отрицательный выходы логического устройства АЦП соединены соответственно с положительным и отрицательным входами управления ключевой схемы АЦП, выход ФТП соединен с входом источника эталонного тока АЦП, выход которого соединен с входом коммутации ключевой схемы АЦП, выход которой подключен ко второму входу интегратора АЦП, выход которого соединен с входом блока компараторов АЦП, положительный и отрицательный выходы которого соответственно соединены с положительным и отрицательным входами логического устройства АЦП, которое подает дискретный или цифровой сигнал пропорциональный измеряемому аналоговому сигналу на выход схемы.