МИКРОКОНТРОЛЛЕРНЫЙ АЦП С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ПЕРЕХОДНОГО ПРОЦЕССА В RC-ЦЕПИ

Область техники, к которой относится полезная модель
Полезная модель относится к измерительной технике, в частности к аналого-цифровым преобразователям, и может быть использовано в цифровых системах для измерения и контроля аналоговых величин.
Уровень техники
Известен составной быстродействующий аналого-цифровой преобразователь содержащий m-разрядный параллельный аналого-цифровой преобразователь грубой шкалы, n-разрядный параллельный аналого-цифровой преобразователь усилитель разности, три схемы выборки-хранения, три регистра памяти, цифроаналоговый преобразователь, блок определения знака и инвертирования отрицательных напряжений, блок синхронизации ([1]. Патент RU 2311731, МПК Н03М 1/38).
Недостатком устройства является высокая степень сложности реализации.
Известен так же ряд технических решений относящихся к аналого-цифровым преобразователям:
[2]. Патент RU 58823, МПК Н03М 1/26;
[3]. Патент RU 58824, МПК Н03М 1/26;
[4]. Патент RU 58825, МПК Н03М 1/34;
[5]. Патент RU 58826, МПК Н03М 1/38;
[6]. Патент RU 59915, МПК Н03М 1/60;
[7]. Патент RU 61968, МПК Н03М 1/34;
[8]. Патент RU 63625, МПК Н03М 1/26;
[9]. Патент RU 63626, МПК Н03М 1/34.
Недостатком устройств является высокая степень сложности реализации.
Наиболее близким аналогом - прототипом к заявляемому техническому решению является микроконтроллерный АЦП с использованием переходного процесса в RC-цепи ([10]. Патент RU 2523208, МПК Н03М 1/38).
Микроконтроллерный АЦП с использованием переходного процесса в RC-цепи содержит микроконтроллер, конденсатор, четыре резистора (первых три резистора образцовые, сопротивления второго и третьего резисторов равны), причем: первый резистор и конденсатор первыми выводами подключены к первому входу аналогового компаратора (АК) встроенного в микроконтроллер; первые выводы второго и третьего резисторов подключены ко второму входу АК встроенного в микроконтроллер; вторые выводы первого, второго, третьего резисторов и конденсатора подключены соответственно к первому, второму, третьему и четвертому дискретным выходам микроконтроллера; первый вывод четвертого резистора подключен к источнику входного напряжения; второй вывод четвертого резистора подключен ко второму выводу третьего резистора.
Недостатком данного устройства являются ограниченные функциональные возможности - устройство может быть использовано для измерения и контроля лишь однополярных аналоговых сигналов (сигналов положительной полярности).
Раскрытие полезной модели
Технический результат, который может быть достигнут с помощью предлагаемой полезной модели, сводится к расширению функциональных возможностей - устройство может быть использовано для измерения и контроля как однополярных, так и двуполярных аналоговых сигналов.
Технический результат достигается тем, что в микроконтроллерный АЦП с использованием переходного процесса в RC-цепи содержащий микроконтроллер, конденсатор, четыре резистора (сопротивления второго и
третьего резисторов равны): первый резистор и конденсатор первыми выводами подключены к первому входу аналогового компаратора (АК) встроенного в микроконтроллер; первые выводы второго и третьего резисторов подключены ко второму входу АК встроенного в микроконтроллер; вторые выводы первого, второго, третьего резисторов и конденсатора подключены соответственно к первому, второму, третьему и четвертому дискретным выходам микроконтроллера; второй вывод четвертого резистора подключен ко второму выводу третьего резистора, введен блок определения знака и инвертирования отрицательных напряжений (БОЗ и ИОН), причем вход БОЗ и ИОН служит входом устройства, первый выход БОЗ и ИОН соединен с первым выводом четвертого резистора, второй выход БОЗ и ИОН подключен к дискретному входу микроконтроллера.
БОЗ и ИОН содержит аналоговый инвертор, компаратор, первый (нормально замкнутый) аналоговый ключ, второй (нормально разомкнутый) аналоговый ключ; вход БОЗ и ИОН подключен одновременно к первому (неинвертирующему) входу компаратора, к сигнальному входу второго (нормально разомкнутого) аналогового ключа и, через аналоговый инвертор, к сигнальному входу первого (нормально замкнутого) аналогового ключа; второй (инвертирующий) вход компаратора «заземлен»; выход компаратора одновременно подключен к второму выходу БОЗ и ИОН и входам управления аналоговых ключей, выходы которых соединены с первым выходом БОЗ и ИОН.
Краткое описание чертежей
На фиг. 1, приведена структурная схема микроконтроллерного АЦП с использованием переходного процесса в RC-цепи.
На фиг. 2, приведена структурная схема блока определения знака и инвертирования отрицательных напряжений.
На фиг. 3 приведены временные диаграммы, поясняющие работу устройства.
Осуществление полезной модели
Микроконтроллерный АЦП с использованием переходного процесса в RC-цепи содержит первый резистор 1, второй резистор 2, третий резистор 3, четвертый резистор 4, конденсатор 5, микроконтроллер 6 со встроенным аналоговым компаратором, блок определения знака и инвертирования отрицательных напряжений (БОЗ и ИОН) 7, причем: резистор 1 и конденсатор 5 первыми выводами подключены к первому входу аналогового компаратора (АК) встроенного в микроконтроллер 6; первые выводы резисторов 2 и 3 подключены ко второму входу АК встроенного в микроконтроллер 6; вторые выводы резисторов 1, 2, 3 и конденсатора 5 подключены соответственно к первому, второму, третьему и четвертому дискретным выходам микроконтроллера 6; первый выход БОЗ и ИОН 7, через резистор 4, подключен ко второму выводу резистора 3 и третьему дискретному выходу микроконтроллера 6, дискретный вход которого соединен со вторым выходом БОЗ и ИОН 7, вход которого служит входом устройства.
БОЗ и ИОН 7 содержит аналоговый инвертор 8, компаратор 9, первый (нормально замкнутый) аналоговый ключ 10, второй (нормально разомкнутый) аналоговый ключ 11; вход БОЗ и ИОН 7 подключен одновременно к первому (неинвертирующему) входу компаратора 9, к сигнальному входу второго (нормально разомкнутого) аналогового ключа 11 и, через аналоговый инвертор 8, к сигнальному входу первого (нормально замкнутого) аналогового ключа 10; второй (инвертирующий) вход компаратора 9 «заземлен»; выход компаратора 9 одновременно подключен к второму выходу БОЗ и ИОН 7 и входам управления аналоговых ключей 10 и 11, выходы которых соединены с первым выходом БОЗ и ИОН 7.
Работа устройства поясняется временными диаграммами (фиг. 3), на которых показаны:
вх
- входное напряжение устройства u (фиг. 3а);
9
- выходное напряжение u компаратора 9 (фиг. 3б);
11
- выходное напряжение u аналогового ключа 11 (фиг. 3в);
8
- выходное напряжение u аналогового инвертора 8 (фиг. 3г);
10
- выходное напряжение u аналогового ключа 10 (фиг. 3д);
вых1
- выходное напряжение u БОЗ и ИОН 7 (первый выход) (фиг. 3е);
вых2
- выходное напряжение u БОЗ и ИОН 7 (второй выход) (фиг. 3ж).
Микроконтроллерный АЦП с использованием переходного процесса в RC-цепи работает следующим образом.
БОЗ и ИОН 7 призван определить знак (полярность) уровня напряжения входного сигнала и ретранслировать сигнал далее с единичным коэффициентом передачи, а в случае отрицательной полярности подвергнуть транслируемый сигнал инверсии.
1
2
3
3
В случае поступления на вход БОЗ и ИОН 7 (устройства) сигнала положительной полярности (интервалы времени [t; t], [t; t], (фиг. 3)):
- компаратор 9 формирует сигнал с уровнем логической единицы (фиг. 3б);
- на втором выходе БОЗ и ИОН 7 формируется сигнал с уровнем логической единицы;
- (нормально разомкнутый) аналоговый ключ 11 переводится в замкнутое состояние;
- (нормально замкнутый) аналоговый ключ 10 переводится в разомкнутое состояние;
- входной сигнал транслируется, через замкнутый аналоговый ключ 11, на первый выход БОЗ и ИОН 7 (фиг. 3в).
2
3
4
5
В случае поступления на вход БОЗ и ИОН 7 (устройства) сигнала отрицательной полярности (интервалы времени [t; t], [t; t], (фиг. 3)):
- компаратор 9 формирует сигнал с уровнем логического нуля (фиг. 3б);
- на втором выходе БОЗ и ИОН 7 формируется сигнал с уровнем логического нуля;
- (нормально разомкнутый) аналоговый ключ 11 переводится в разомкнутое состояние;
- (нормально замкнутый) аналоговый ключ 10 переводится в замкнутое состояние;
- входной сигнал, инвертированный посредством аналогового инвертора 8 (фиг. 3г), транслируется, через замкнутый аналоговый ключ 10, на первый выход БОЗ и ИОН 7 (фиг. 3д).
Таким образом, БОЗ и ИОН 7 фактически формирует модуль (1) (фиг. 3е) и знак (2) (фиг. 3ж) транслируемого сигнала.
вых1
вых2
где ,  - выходное напряжение БОЗ и ИОН 7 на первом и втором выходах (U, U - фиг 2);
1
0
U и U - высокий и низкий уровни напряжения - уровни логической единицы и нуля.
Микроконтроллер 6 функционирует асинхронно с БОЗ и ИОН 7 (компаратором 9).
C
Микроконтроллер 6 переводит второй и третий дискретные выходы в высокоомное состояние, на первый и четвертый дискретный выходы выводит низкий уровень напряжения. Конденсатор 5 разряжается через резистор 1. Ко второму входу АК, встроенного в микроконтроллер 6, через резисторы 4 и 3 приложено, напряжение с первого выхода БОЗ и ИОН 7, транслирующего модуль входного сигнала (фиг. 3е). Напряжение со второго выхода БОЗ и ИОН 7, транслирующего знак входного сигнала (фиг. 3ж) поступает на дискретный вход микроконтроллера 6. Затем микроконтроллер 6 выводит на первый дискретный выход высокий уровень напряжения, значение которого равно U, и запускает предварительно обнуленный внутренний счетчик. Как только напряжение U на конденсаторе 5 сравняется с выходным напряжением , на выходе АК, встроенного в микроконтроллер 6, поменяется логический уровень. По этому событию микроконтроллер 6 останавливает
C
внутренний счетчик, двоичный код которого пропорционален времени t заряда конденсатора 5 до уровня входного напряжения, когда . Микроконтроллер 6 определяет U используя выражение (3)
где τ=RC - постоянная времени RC-цепи, состоящей из резистора 1 и конденсатора 5.
В данном случае  есть результат преобразования.
Для повышения точности измерения (преобразования) микроконтроллер 6 периодически использует цикл по уточнению значения постоянной времени RC-цепи. Этот цикл заключается в следующем.
Микроконтроллер 6 выводит высокий уровень напряжения на второй дискретный выход и низкий уровень напряжения на третий дискретный выход. Входное напряжение  падает на резисторе 4. Так как сопротивления резисторов 2 и 3 равны, то напряжение, подаваемое на второй вход АК, встроенного в микроконтроллер 6, определяется выражением
Микроконтроллер 6 определяет, используя описанный выше цикл преобразования, постоянную времени RC-цепи из выражения
Введение в состав устройства БОЗ и ИОН 7, при аналого-цифровой обработке двуполярных сигналов, в отличие от типовых схем для преобразования двуполярного входного сигнала в диапазон одной полярности ([11]. Звонарев Е. Драйвера для АЦП на основе операционного усилителя компании Texas Instruments // Компоненты и технологии. 2007. №11, рис. 3, 4. [Электронный ресурс] http://kit-e.ru/articles/usil/2007_11_33.php (дата обращения: 12.10.2015)) приводит:
а) к увеличению разрядности АЦП на один разряд (старший разряд кода, несущий информацию о полярности входного сигнала, формирует БОЗ и
ИОН 7);
б) к возможности пересчета динамического диапазона входных сигналов и шага квантования АК, встроенного в микроконтроллер 6, (увеличению их в два раза), что способствует существенному увеличению точности аналого-цифрового преобразования входных сигналов в связи с повышением помехоустойчивости АК, встроенного в микроконтроллер 6.
Предлагаемое техническое решение, по сравнению с прототипом, обладает расширенными функциональными возможностями.