АНАЛОГО-ЦИФРОВОЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ С РАСШИРЕННЫМ ДИНАМИЧЕСКИМ ДИАПАЗОНОМ
ANALOGUE-TO-DIGITAL CONVERTER WITH EXPANDED DYNAMIC RANGE

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:
вх
U - преобразуемое напряжение;
1
n-1
K…K - коэффициенты передачи масштабирующего устройства для соответствующих поддиапазонов;
1 оп
n-1 оп
Е…Е - опорные напряжения, соответствующие поддиапазонам;
d0
1
2
d1
d n-1
R, R, R, R…R - резисторы;
1
D - операционный усилитель;
1
n-1
VT…VT - полевые транзисторы.
вх
вх
i
оп
d0
1
2
d1
d
n-1
1
1
n-1
1
2
1
1
2
1
1
1
1
d0
1
d1
dn-1
1
n-1
1
n-1
d1
dn-1
do
1
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, 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, на второй вход - опорное напряжение Е, 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, R, R, R… R, операционный усилитель D, полевые транзисторы VT… VT. Операционный усилитель D, включенный по схеме неинвертирующего усилителя с коэффициентом передачи, равным отношению сопротивлений резисторов (R+R)/R, где резистор R включен между инвертирующим входом и выходом D, a R - между инвертирующим входом и общим проводом (корпусом устройства). Выход операционного усилителя D является выходом масштабирующего устройства 1. Неинвертирующий вход операционного усилителя D соединен с источником преобразуемого напряжения (входом устройства) через добавочный резистор R. К этому же входу D через резисторы R…R подключены стоки полевых транзисторов VT…VT, истоки которых соединены с общим проводом. Транзисторы VT…VT выполняют функцию электронных ключей, а резисторы R…R совместно с резистором R образуют делитель напряжения, задающий уровень входного напряжения, поступающего на неинвертирующий вход операционного усилителя D.
АЦП с расширенным динамическим диапазоном работает следующим образом.
вх
вх.фикс
вх.фикс
вх
1
1
вх
1
вх.фикс
вх
2
2
вх
вх.фикс
вх
i
На вход масштабирующего устройства 1 и на первый вход каждого компаратора 4 в устройстве 3 выбора поддиапазонов подается преобразуемое напряжение U, уровень которого соответствует первому поддиапазону. С выхода масштабирующего устройства 1 напряжение U подается на вход АЦП 2 с фиксированным диапазоном. Двоичный код N, пропорциональный U=U*K, где K - 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 сравняется с опорным напряжением E 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=U*K, где K - коэффициент передачи масштабирующего устройства 1 для второго поддиапазона. По мере возрастания преобразуемого напряжения U 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=U*K, где i - номер поддиапазона, равный от 1 до n.
вх
вх
вх. фикс
вых
вх
у
у
1
2
1
1оп
1
1
вых
вх
y
d1
0
d1
n-1оп
1
n-1
n
Соответствие выходного кода АЦП с расширенным динамическим диапазоном входному напряжению U обеспечивает преобразователь кода 5, преобразуя выходной код АЦП 2 с фиксированным диапазоном и код масштабирующего устройства 1 в код, пропорциональный входному напряжению U 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 2, 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 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=U*K, где K=(R+R)/R. Когда уровень напряжения сравняется с опорным напряжением E первого компаратора, включается ключ VT. Тогда уровень напряжения на выходе D будет равен U=U*K*R/(R+R) и происходит переключение устройства на работу во втором поддиапазоне. По мере возрастания входного напряжения до опорного напряжения последнего компаратора E происходит последовательное включение ключей VT, …, VT. Уровень сигнала на выходе масштабирующего устройства для k-го поддиапазона будет равен:
вых
вх
y
d
d0
d
U=U*K*R/(R+R),
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.