ИНТЕГРИРУЮЩИЙ АНАЛОГО-ЦИФРОВОЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ С ШИРОТНО-ИМПУЛЬСНОЙ МОДУЛЯЦИЕЙ
INTEGRATING ANALOGUE-TO-DIGITAL CONVERTER WITH PULSE-WIDTH MODULATION

Устройство относится к области вычислительной техники и может использоваться в системах управления технологическими процессами, в частности в автоматизированном электроприводе.
Известны число-импульсные аналого-цифровые преобразователи (АЦП) (Волович Г.И. Схемотехника аналоговых и аналогово-цифровых электронных устройств / Г.И. Волович. - М.: Издательский дом «Додэка-XXI», 2005. - с.340-372), содержащие преобразователь напряжения в частоту импульсов ПНЧ, счетчик, регистр памяти, генератор тактовых импульсов, элемент задержки, входную и выходную клеммы.
ПНЧ преобразует аналоговый сигнал в частоту импульсов, количество которых за интервал времени, формируемый генератором, подсчитывается суммирующим счетчиком. После завершения цикла преобразования данные из счетчика переносятся в регистр памяти. После этого с задержкой времени счетчик «обнуляется» и цикл преобразования повторяется. В итоге на выходе регистра памяти формируется код, пропорциональный преобразуемому сигналу на входной клемме.
К числу недостатков известного технического решения относится:
1) разомкнутый характер структуры АЦП, что предъявляет жесткие требования к метрологическим показателям ПНЧ;
2) зависящая от входного сигнала погрешность дискретизации, которая увеличивается по мере уменьшения амплитуды входного воздействия;
3) нереверсивный характер характеристики «вход-выход», т.е. способность АЦП работать только с сигналом одной полярности.
Таким образом, известное техническое решение имеет относительно невысокую точность работы и ограниченную область применения.
Известно устройство (а.с. №1731014, Система импульсно-фазового управления, 03.1992 г.), в состав которого входят сумматор, интегратор, релейный элемент, генератор пилообразного напряжения, входная и выходная клеммы.
Известное устройство является интегрирующей системой с двумя развертывающими функциями. Ведущей является развертка с выхода генератора пилообразного напряжения, а ведомой - выходной пилообразный сигнал на выходе интегратора. Сигнал с выхода генератора «пилы» подается на второй вход релейного элемента и приводит к модуляции его порога переключения по закону ведущей развертывающей функции.
Недостатком устройства является низкое быстродействие и отсутствие средств диагностики его работоспособности.
Наиболее близким к предлагаемому техническому решению является устройство по патенту «ИНТЕГРИРУЮЩИЙ АНАЛОГО-ЦИФРОВОЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ», RU №2496228 от 02.07.2012, Опубл. 20.10.2013, Бюл. №29.
АЦП содержит последовательно включенные источник входного сигнала, первый сумматор, интегратор, релейный элемент, выход которого подключен ко второму входу первого сумматора, источник сигнала синхронизации, подключенный к входу генератора пилообразного напряжения, выход которого соединен со вторым входом релейного элемента, программируемый контроллер, содержащий первый и второй преобразователи интервала времени в цифровой код, входы которых подключены к выходу релейного элемента, а их выходы подключены к соответствующим входам арифметическо-логического устройства, первая группа выходов которого соединена с информационными выходами устройства, второй выход соединен с выходом знакового разряда устройства, стробирующий вход программируемого контроллера соединен с источником сигнала синхронизации, вход запрета считывания данных с информационных выходов программируемого контроллера
По сравнению с предыдущим устройством АЦП-прототип имеет более высокое быстродействие, но характеризуется отсутствием средств диагностирования своей работоспособности, что отрицательно сказывается на показателях надежности того комплекса аппаратуры, в составе которого функционирует данный АЦП.
В основу изобретения положена техническая задача повышения надежности АЦП путем диагностики его работоспособности.
Интегрирующий аналого-цифровой преобразователь содержит последовательно включенные источник входного сигнала, первый сумматор, интегратор, релейный элемент, выход которого подключен ко второму входу первого сумматора, источник сигнала синхронизации, подключенный к входу генератора пилообразного напряжения, выход которого соединен со вторым входом релейного элемента, программируемый контроллер, содержащий первый и второй преобразователи интервала времени в цифровой код, входы которых подключены к выходу релейного элемента, а выходы первого и второго преобразователей интервала времени в цифровой код подключены к соответствующим входам арифметическо-логического устройства, первая группа выходов которого соединена с информационными выходами устройства, второй выход соединен с выходом знакового разряда устройства, стробирующий вход программируемого контроллера соединен с источником сигнала синхронизации, вход запрета считывания данных с информационных выходов программируемого контроллера и отличается от известного тем, что в него введены последовательно включенные преобразователь «частота - аналоговый сигнал» и второй сумматор, причем вход преобразователя «частота-аналоговый сигнал» подключен к выходу релейного элемента, а ко второму входу второго сумматора подключен источник опорного сигнала, выход второго сумматора соединен с входом порогового элемента, выход которого подключен к входу запрета считывания данных с информационных выходов программируемого контроллера.
Техническим результатом предлагаемого устройства является повышение его надежности путем диагностики скрытых и катастрофических отказов в канале преобразования аналогового сигнала в широтно-импульсный, что достигается за счет введения последовательно включенных преобразователя «частота-аналоговый сигнал» и второго сумматора, причем вход преобразователя «частота-аналоговый сигнал» подключен к выходу релейного элемента, а ко второму входу второго сумматора подключен источник опорного сигнала, выход второго сумматора соединен с входом порогового элемента, выход которого подключен к входу запрета считывания данных с информационных выходов программируемого контроллера.
Изобретение поясняется следующими чертежами:
Фиг. 1 - структурная схема предлагаемого АЦП;
Фиг. 2-4 - временные диаграммы сигналов АЦП.
В состав устройства (фиг. 1) входят первый 1 и второй 2 сумматоры, интегратор 3, релейный элемент 4, генератор пилообразного напряжения 5, преобразователь «частота-аналоговый сигнал» 6, программируемый контроллер 7, первый 8 и второй 9 преобразователи интервала времени в цифровой код, арифметическо-логическое устройство (АЛУ) 10, пороговый элемент 11, входная клемма 12, вход 13 для подключения источника сигнала синхронизации, вход 14 для подключения источника опорного напряжения, стробирующий вход 15 программируемого контроллера 7, вход 16 запрета считывания данных с информационных выходов 17 контроллера 7, выход 18 знакового разряда АЦП.
Элементы АЦП (фиг. 1) имеют следующие характеристики.
Сумматоры 1, 2 выполнены с коэффициентом передачи 1,0 по каждому из входов.
И
И
Интегратор 3 реализует передаточную функцию вида W(p)=1/Tp, где Т - постоянная времени. Знак выходного сигнала интегратора 3 инвертирован по отношению к знаку выходного сигнала сумматора 1.
Релейный элемент 4 имеет неинвертирующую характеристику «вход -выход» и нулевое значение порогов переключения. Выходной сигнал релейного элемента 4 меняется дискретно в пределах ±A.
Генератор пилообразного напряжения 5 имеет один дискретный и второй линейно нарастающий фронт.
Период синхроимпульса малой длительности на вход 13 определяет время преобразования аналогового входного сигнала в цифровой код.
Преобразователь 6 «частота - аналоговый сигнал» (ПЧА) формирует на выходе напряжение, пропорциональное частоте входных импульсов.
Преобразователь 8 интервала времени в цифровой код программируемого контроллера 7 преобразует длительность импульсов положительной полярности с выхода релейного элемента 4 в цифровой код, например, двоичный.
Преобразователь 9 интервала времени в цифровой код программируемого контроллера 7 преобразует длительность импульсов отрицательной полярности с выхода релейного элемента 4 в цифровой код также, например, двоичный.
АЛУ 10 выполняет вычисление по заранее заданной формуле и формирует на выходе 17 цифровой код, пропорциональный сигналу на входе 12.
Процесс вычисления в АЛУ и установка нулевых начальных условий в программируемом контроллере 7 производится по синхроимпульсу с входа 13 (клемма 15 контроллера 7).
Пороговый элемент 11 имеет симметричные относительно «нуля» пороги включения ±С. Если входной сигнал превышает значение |±C|, то пороговый элемент 11 переключается в состояние логической «1».
Наличие сигнала «1» на входе 16 блокирует возможность считывания данных с выходов 17, на которых в этом случае формируются все «1» либо, в зависимости от решаемой задачи, выходы всех разрядов переходят в третье (высокоимпедансное) состояние.
Принцип работы устройства следующий.
Сумматор 1, интегратор 3 и безгистерезисный релейный элемент 4 с симметричной неинвертирующей характеристикой образуют интегрирующий развертывающий преобразователь с широтно-импульсной модуляцией.
С
«Внутри» генератора пилообразного напряжения 5 счетной схемой (на фиг. 1 не показана) формируется опорная цифровая пилообразная развертка (фиг. 2а, период Т которой определяется внешними импульсами синхронизации, соответствующими интервалу дискретизации, например, ведомого сетью вентильного преобразователя (ВП).
0
C
C
0
Дискретность опорной развертки определяется частотой собственного генератора счетных импульсов и является пренебрежимо малой величиной. С помощью этой развертки задаются числатаким образом, чтобы они следовали с периодом Т<Т, причем Т/Т=n - целое число. На фиг. 2а в качестве примера приведены три значенияпри появлении которых образуется дискретный фронт аналоговой выходной развертки генератора пилообразного напряжения 6, предназначенной для синхронизации развертывающего преобразователя (РП), включающего сумматор 1, интегратор 3 и релейный элемент 4.
BX
1
ВХ
2
ВХ
Переключение релейного элемента 4 происходит в моменты времени равенства амплитуд сигналов ведущей с выхода генератора 5 (фиг. 2в) и ведомой с выхода интегратора 3 разверток. При входном сигнале X, например, отрицательной полярности (фиг. 2б) на интервале времени t сигнал ведомой развертки с выхода интегратора 3 изменяется под действием разности сигналов (А-X) на выходе релейного элемента 4 и информационном входе 12, а в интервале t - под действием суммы этих сигналов - (A+X) (фиг. 2б-г).
1
2
ВХ
1
2
В результате t>t и среднее значение выходных импульсов релейного элемента 4 устанавливается пропорциональным входному воздействию X. При положительном знаке входного сигнала РП на базе сумматора 1, интегратора 3 и релейного элемента 4 работает аналогичным образом с той лишь разницей, что t<t.
Э
Г
0
C
с
И
Г
2n-1
2n
1
2
0
В общем случае РП на базе сумматора 1, интегратора 3 и релейного элемента 4 синхронизированный «пилой» по второму входу релейного элемента 4 представляет собой апериодическое звено W(p)=1 /(1+Тp), где  - эквивалентная постоянная времени РП; - нормированная величина постоянной времени интегратора 3, отнесенная к постоянной времени T сигнала пилообразной развертки. В общем случае T=T/n, где n - коэффициент деления интервала синхронизации Т (фиг. 2а-г). При этом для надежной синхронизации РП сигналом с выхода генератора пилообразного напряжения 5 должно соблюдаться условие Т>2Т. Установившегося значения t, t интервалы t, t (фиг. 2г) достигают через n-е число периодов T, а сам процесс носит апериодический характер (фиг. 2в, г).
0
C
Из приведенных соотношений видно, что по мере уменьшения периода сигнала пилообразной развертки Т «внутри» интервала синхронизации Т быстродействие РП возрастает.
Контроллер 7 (фиг. 1) содержит два счетных канала 8, 9, осуществляющих преобразование интервала времени в цифровой код, и АЛУ 10. Блок 8 преобразует в цифровой код N1 длительность выходных импульсов релейного элемента 4 положительной полярности, а блок 9 формирует код N2, зависящий от длительности выходных импульсов релейного элемента 4 отрицательной полярности. Данные процессы показаны на фиг. 3д, е. Источником счетных импульсов (фиг. 3г) является встроенный в контроллер 7 генератор импульсов стабильной частоты (на фиг. 1 не показан).
C
Таким образом, на интервале Т (фиг. 3а, б) преобразуется в «цифру» сумма «нечетных»  и «четных»  интервалов дискретизации выходных импульсов релейного элемента 4 (фиг. 3д, е) с последующим вычислением выходного кода  (фиг. 3ж, з, и), где K - коэффициент пропорциональности схемы.
При этом по синхроимпульсу с клеммы 13 (фиг. 3а) данные из преобразователей интервалов времени в цифровой код 8, 9 переносятся в АЛУ 10, затем происходит установка нулевых начальных условий в преобразователях 8, 9. Это в контроллере 7 достигается программным путем.
Для диагностики работоспособности АЦП в схему введены сумматор 2, преобразователь «частота-аналоговый сигнал» 6, источник опорного напряжения, подключаемый к клемме 14, и пороговый элемент 11 (фиг. 1).
Преобразователь 6 формирует на выходе сигнал (фиг. 4б), пропорциональный частоте выходных импульсов релейного элемента 4 (фиг. 4а).
Опорное напряжение с выхода источника, подключаемого к клемме 14, по своей абсолютной величине равно уровню выходного сигнала преобразователя 6, но имеет обратную полярность (фиг. 4б), поэтому результирующий выходной сигнал сумматора 2 равен нулю и находится «внутри» зоны нечувствительности ±С порогового элемента 11 (фиг. 4б). Величина ±С определяет допустимый диапазон отклонения частоты импульсов на выходе релейного элемента 4 от номинального значения.
При выходе из строя, например, релейного элемента 4 (фиг. 4в), когда его выходной сигнал принимает статическое состояние +А, сигнал на выходе сумматора 2 начинает изменяться в отрицательном направлении, так как выходное напряжение преобразователя «частота-аналоговый сигнал» 6 стремится к нулю (фиг. 4г). Как только выходной сигнал сумматора 2 достигает значения -С, пороговый элемент 11 переходит в состояние «1» (фиг. 4г, д), что блокирует возможность считывания данных с выходных клемм 17 контроллера 7. Тем самым снижается вероятность возникновения аварийной ситуации на объекте, в составе которого работает данный АЦП.
Аналогичный эффект возникает и при катастрофических отказах сумматора 1, интегратора 3, генератора пилообразного напряжения 5 и источника синхроимпульсов, подаваемых на вход 13.
Величина зоны нечувствительности ±С порогового элемента 11 настраивается на допустимое отклонение частоты выходного сигнала релейного элемента 4, возникающее по причине скрытых отказов в сумматоре 1, интеграторе 3, генераторе пилообразного напряжения 5 и источнике синхроимпульсов (клемма 13).
Аналогичный контроль за частотой следования выходных импульсов релейного элемента 4 осуществляется и программным путем непосредственно в контроллере 7, где помимо вычисления значения  (фиг. 3и) производится диагностическая операция
0
где N - число, пропорциональное требуемому значению частоты выходного сигнала релейного элемента 4; Δ - допустимая ошибка частоты выходных импульсов релейного элемента 4.
При выполнении (1) также блокируется возможность считывания данных с выходов 17 АЦП. По сути дела программный канал диагностики в контроллере 7 и аналого-дискретный канал на базе звеньев 2, 6, 11, 14 являются взаимно дублирующими, причем, как показывает практика, в промышленных условиях повышенной надежностью обладает именно аналого-дискретный канал 2, 6, 11, 14, который в меньшей степени подвержен действию внешних импульсных помех по сравнению с программной ветвью диагностики.
Таким образом, введение в схему АЦП сумматора 2, преобразователя «частота - аналоговый сигнал» 6, порогового элемента 11 и источника опорного напряжения (клемма 14) позволяет повысить надежность АЦП и процесса его диагностики в условиях промышленных помех.