ПРЕЦИЗИОННЫЙ АНАЛОГОВО-ЦИФРОВОЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ С ПРОМЕЖУТОЧНЫМ ПРЕОБРАЗОВАНИЕМ В ЧАСТОТУ И СПОСОБ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ НАПРЯЖЕНИЯ В ЦИФРОВОЙ КОД С ПРОМЕЖУТОЧНЫМ ПРЕОБРАЗОВАНИЕМ В ЧАСТОТУ
PRECISION ANALOGUE-TO-DIGITAL CONVERTER WITH INTERMEDIATE CONVERSION INTO FREQUENCY AND METHOD OF CONVERTING VOLTAGE INTO DIGITAL CODE WITH INTERMEDIATE CONVERSION TO FREQUENCY

Изобретение относится к области измерительной технике, в частности к устройствам преобразования аналогового напряжения в цифровой код. Изобретение может быть использовано в приборостроении.
Известен прецизионный интегрирующий преобразователь напряжения в частоту [1], состоящий из интегратора, двух пороговых устройств, синхронного формирователя импульсов, двух цепей разряда интегратора - положительной и отрицательной полярности и реверсивного счетчика импульсов. В данном преобразователе входное напряжение непрерывно интегрируется. К выходу интегратора подключено два компаратора напряжения. При превышении выходным напряжением интегратора уровня +3В на выходе компаратора напряжения появляется сигнал, запускающий формирование выходного частотного импульса и импульса сброса интегратора. Аналогично при снижении выходного напряжения интегратора до уровня ниже минус 3В формируется второй частотный импульс и импульс сброса интегратора.
Во время действия импульса сброса на вход интегратора подается высокостабильный ток полярности, противоположной полярности входного сигнала. Ток сброса интегратора формируется из опорного напряжения, деленного на сопротивление резистора.
Длительность импульсов сброса интегратора формируется из опорной тактовой частоты высокой стабильности. Целью этого решения является повышение точности.
12 - бит реверсивный счетчик обеспечивает подсчет частотных импульсов с учетом знака входного напряжения. Выходной код счетчика по внешнему синхросигналу, полученному из той же опорной тактовой частоты, считывается и счетчик обнуляется.
Таким образом, масштабный коэффициент определяется опорными напряжениями и отношением сопротивлений резистора на входе интегратора к сопротивлению резисторов в цепи сброса интегратора.
На основе данного технического решения серийно выпускается микросхема 1316ПП1У.
Недостатком данного технического решения является низкая разрешающая способность. Например, при максимальной выходной частоте 80 кГц за время 1 мс возможно накопление не более 80 счетных импульсов, следовательно, ошибка округления составит более процента.
Вторым недостатком является нелинейная характеристика в области перехода через ноль. Это обусловлено наличие мертвой зоны. Причины и особенности данного явления видны из Рис. 3. «Диаграмма сигналов в интеграторе ПНЧ» источника [1].
Наиболее близким к предлагаемому решению является: микросхема прецизионного преобразования напряжения в частоту 5400ТР015 001, разработки Дизайн Центр Союз [2].
Данный преобразователь содержи все составные части преобразователя [1] и в него дополнительно введен УВХ и АЦП.
Выходное напряжение интегратора подается на вход УВХ АЦП с однократным режимом преобразования. При подаче среза импульса считывания мгновенное значение выходного напряжения интегратора записывается в УВХ и АЦП преобразует его в цифровой код.
Введение вспомогательного АЦП, подключенного к выходу интегратора, позволяет реализовать электронный нониус. Повышение разрешающей способности более чем в один счетный импульс можно достичь, используя разность напряжений в начале и конце интервала времени измерения.
Вторым преимуществом данного технического решения является устранение мертвой зоны вблизи нулевого напряжения.
Данное техническое решение имеет следующий недостаток:
Интегратор сбрасывается не мгновенно, а за некоторое время и вероятность попадания импульса считывания на это время велика. В таком случае будет получена недостоверная информация.
Сущность изобретения поясняется рисунками:
На рисунке 1 изображена функциональная схема устройства.
1 - преобразователь напряжения в частоту - ПНЧ;
2 - интегратор, состоящий из входного резистора Ri, операционного усилителя и конденсатора в обратной связи;
3, 4 - пороговые устройства;
5, 6 - синхронные формирователи импульсов;
7, 8 - цепи сброса интегратора - положительной и отрицательной полярности, состоящие из резисторов Rt, Rb и ключей;
9 - реверсивный счетчик импульсов;
10 - вспомогательный аналогово-цифровой преобразователь;
11 - вычислительное устройство;
12 - схема измерения времени прихода счетных импульсов.
На рисунке 2 изображены осциллограммы напряжения на выходе интегратора ПНЧ, когда импульс считывания не попадает на время сброса интегратора.
13 - импульс считывания «Sample»;
14 - счетные импульсы «F»;
15 - осциллограмма напряжения на выходе интегратора при постоянном входном напряжении положительной полярности.
Т - период опроса счетчика импульсов;
Δti, Δti1 - время прихода последнего сосчитанного импульса относительно импульса считывания в текущем и в предыдущем тактах;
Ui, Ui1 - напряжение на выходе интегратора во время импульса считывания;
Uth - напряжение срабатывания пороговых устройств;
Uh - напряжение, на которое сбрасывается интегратор за время действия одного импульса сброса.
На рисунке 3 изображены осциллограммы напряжения на выходе интегратора ПНЧ, когда импульс считывания попадает на время сброса интегратора и счетный импульс сосчитан до прихода импульса считывания
13 - импульс считывания «Sample»;
14 - счетные импульсы «F»;
15 - осциллограмма напряжения на выходе интегратора при постоянном входном напряжении положительной полярности;
16 - момент времени, когда счетный импульс изменяет состояние счетчика;
Uh - напряжение, на которое сбрасывается интегратор за время действия одного импульса сброса;
Ua - напряжение, которое было бы на выходе интегратора в момент считывания, если бы сброс интегратора происходил бы мгновенно;
Δt - время прихода счетного импульса относительно импульса считывания.
На рисунке 4 изображены осциллограммы напряжения на выходе интегратора ПНЧ, когда импульс считывания попадает на время сброса интегратора и счетный импульс не был сосчитан до прихода импульса считывания.
13 - импульс считывания «Sample»;
14 - счетные импульсы «F»;
15 - осциллограмма напряжения на выходе интегратора при постоянном входном напряжении положительной полярности;
16 - момент времени, когда счетный импульс изменяет состояние счетчика.
Uh - напряжение, на которое сбрасывается интегратор за время действия одного импульса сброса;
Ua1 - напряжение, которое было бы на выходе интегратора, если бы сброс интегратора происходил бы после импульса считывания.
На рисунке 5 изображено сравнение измеренного напряжения без учета увеличения разрешающей способности и с учетом.
Задачей изобретения является увеличение разрешающую способность аналогово-цифрового преобразователя и устранение неоднозначности в случае попадания импульса считывания на время сброса интегратора.
Этот технический результат достигается тем что, прецизионный аналогово-цифровой преобразователь с промежуточным преобразованием в частоту, содержащий интегратор, два пороговых устройства, подключенных к выходу интегратора, два синхронный формирователя импульсов сброса интегратора, подключенных к выходам пороговых устройств, две цепи сброса интегратора - положительной и отрицательной полярности, подключенных к выходам синхронных формирователей импульсов сброса интегратора, реверсивный счетчик импульсов, подключенный к синхронным формирователям импульсов сброса интегратора, вспомогательный аналогово-цифровой преобразователь, подключенный к выходу интегратора, вычислительное устройство, подключенное к реверсивному счетчику импульсов и вспомогательному аналогово-цифровому преобразователю, содержит схему измерения времени прихода импульсов сброса интегратора, подключенную к синхронным формирователям импульсов сброса интегратора, выход которой подключен к вычислительному устройству.
Схема измерения времени прихода импульсов измеряет время прихода импульсов сброса относительно импульса считывания в тактах опорной тактовой частоты.
Предлагаемое устройство осуществляет предлагаемый способ.
Для применяемого в данном техническом решение ПНЧ предъявляются следующие существенные требования.
Входное напряжение непрерывно интегрируется. Это позволяет по изменению напряжения на выходе интегратора получить информацию о входном напряжении с разрешающей способностью больше, чем напряжение сброса интегратора за один импульс.
К выходу интегратора подключено два пороговых устройства (3) и (4), сравнивающие напряжения с опорными уровнями. При превышении выходным напряжением интегратора уровня Uh+ на выходе порогового устройства (3) появляется сигнал, разрешающий формирование выходного частотного импульса и импульса сброса интегратора. Аналогично при снижении выходного напряжения интегратора до уровня ниже Uh- пороговое устройство (4) разрешает формирование второго частотного импульса и импульса сброса интегратора. Наличие этих пороговых устройств определяет напряжение на выходе интегратора в момент начала процесса сброса интегратора.
Формирователи импульсов сброса интегратора (5) и (6), подключенные к выходам пороговых устройств (3) и (4), формируют начало импульсов синхронно с тактовой частотой. Длительность импульсов составляет целое число тактовых импульсов. В прототипе [1] целью синхронизации начала и окончания импульсов сброса интегратора с тактовой частотой является получение точной длительности и обеспечение высокой точности преобразования. В предлагаемом способе используется неожиданный технический результат - появляется возможность измерять время прихода импульсов в периодах тактовой частоты.
Во время действия импульса сброса на вход интегратора через цепи (7) и (8) подается высокостабильный ток полярности, противоположной полярности входного сигнала. Ток сброса интегратора формируется из опорного напряжения, деленного на сопротивление резистора. Таким образом, становится известно напряжение Uh, на которое сбрасывается интегратор за время действия одного импульса сброса.
Количество импульсов сброса как положительной, так и отрицательной полярности является выходом ПНЧ (1). Это количество подсчитывается реверсивным счетчиком (9).
Не является существенным признаком, происходит ли подсчет непосредственно импульсов сброса интегратора или т.н. счетных импульсов, количество которых совпадает с количеством импульсов сброса интегратора, а длительность, которых может отличаться, но время начала однозначно связано с ними. Например, в случае микросхемы 1316ПП1У длительность счетных импульсов меньше, чем время обнуления интегратора. Главное чтобы было однозначно известно, в какой такт тактовой частоты после начала импульса происходит изменение состояния счетчика. В случае микросхемы 1316ПП1У изменение состояния счетчика происходит по заднему фронту счетных импульсов.
Выходной код счетчика считывается по внешнему импульсу «Sample» (13) и счетчик обнуляется. Для возможности получить однозначный результат импульс считывания получают из той же опорной тактовой частоты, что и импульсы сброса интегратора.
Выходное напряжение интегратора ПНЧ подается на вход вспомогательного АЦП (10). Данное техническое решение позволит повысить разрешающую способность. Если за период между двумя импульсами считывания не было ни одного счетного импульса, но напряжение на выходе интегратора изменилось, то по изменению напряжения на выходе интегратора можно судить о величине входного напряжения. Также при малом числе счетных импульсов можно повысить разрешающую способность, введя поправку на доли счетных импульсов (нониус).
При этом возникает вероятность, что момент считывания выходного напряжения интегратора попадет на время сброса интегратора. Тогда вспомогательный АЦП замерит не результат интегрирования входного напряжения, а случайный промежуточный результат во время сброса интегратора. В таком случае возможно получение неоднозначного результата.
В предлагаемом АЦП для решения этой проблемы используется схема измерения времени прихода счетных импульсов (12).
Измерение времени прихода импульсов позволяет:
1) определить попадает ли момент считывания на время сброса интегратора;
2) определить был ли этот импульс сосчитан в данный период времени или нет;
3) В случае попадания момента считывания на время сброса интегратора произвести поправку на доли счетных импульсов (нониус), основываясь на времени прихода импульсов. На вход этого вычислительного устройства подается код с реверсивного счетчика (9), вспомогательного аналогово-цифрового преобразователя (10) и схемы измерения времени прихода счетных импульсов (12).
В составе предлагаемого преобразователя введено вычислительное устройство, которое позволяет реализовать предлагаемый способ.
Рассмотрим возможные способы получения информации о входном напряжении в АЦП с промежуточным преобразованием в частоту.
Традиционно входное напряжение определяют на основе частоты следования импульсов F, которую определяют по формуле:
где Qn - количество счетных импульсов за время Т.
Недостатком этого решения является большая дискретность определения частоты, вызванная небольшим числом счетных импульсов.
Возможным решением является учет разности напряжения на выходе интегратора в начале и в конце периода опроса.
Недостатком данного технического решения является то, что в случае попадания импульса считывания на время сброса интегратора будет получена недостоверная информация.
Также возможным вариант с использованием измеренного времени прихода импульсов.
Данное решение снимает ограничение на низкую дискретность выходной информации. Однако оно реализуемо только при достаточно большом входном сигнале, когда в каждом интервале времени есть не менее одного счетного импульса.
В предлагаемом способе величина входного напряжения определяется следующим образом:
Рассмотрим рис. 2.
Одновременно со считыванием числа счетных импульсов Qn измеряем напряжение на выходе интегратора во время импульса считывания Ui.
Сохраняем Ui-1 напряжение, измеренное на предыдущем такте.
Измеряем время прихода последнего счетного импульса относительно импульса считывания Δti.
Так, как время прихода импульса считывания «Sample» известно, то эквивалентным решением является измерение времени прихода счетного импульса.
По величине времени Δti определяем, попадает ли импульс считывания на время сброса интегратора.
Если не попадает, то определяем входное напряжение на основании частоты F, полученной по формуле (2). Тем самым вводится поправка, увеличивающая разрешающую способность АЦП - нониус.
Если импульс считывания попадает на время сброса интегратора, то по времени Δti определяем, был ли в реверсивном счетчике сосчитан последний импульс. Для этого сравниваем - момент времени, когда счетный импульс изменяет состояние счетчика (16) с моментом прихода импульса считывания (13).
Если счетный импульс был сосчитан, то рассмотрим рис. 3.
Для того чтобы результат, полученный по формуле (2) был корректен, вместо показаний вспомогательного АЦП подставляем значение Ua, полученное по формуле (4)
Где Ua - напряжение, которое было бы на выходе интегратора в момент считывания, если бы сброс интегратора происходил бы мгновенно.
Во время действия импульса сброса интегратора продолжается интегрирование также и входного напряжения. Этим объясняется появление в формуле (4) поправки к напряжению (Uh * Qn * Δt / Т).
В данном способе конкретный вид поправки к напряжению (Uh * Qn * Δt / Т) не является существенным признаком. Возможна интерполяция между двумя соседними импульсами, где вместо времени Т берется измеренный период счетных импульсов Т1 и поправка примет вид: (Uh * Δt / T1).
Существенным признаком является то, что эта поправка вычисляется на основании измеренного времени прихода импульса.
Если счетный импульс не сосчитан, то рассмотрим рис 4.
Для того чтобы результат, полученный по формуле (2), был корректен, вместо показаний вспомогательного АЦП подставляем значение Ua1, полученное по формуле (5)
На рисунках 2, 3 и 4 приведены осциллограммы выхода интегратора при положительном входном напряжении. В случае, если входное напряжение будет отрицательным, то все осциллограммы будут вести себя аналогично за исключением того, что изменится наклон графиков на противоположный.
Также вместо напряжения срабатывания порогового устройства по отрицательному напряжению, обозначенного на рис 1 цифрой 4 Uth- будет фигурировать порог по положительному напряжению Uth+
Формула (4) примет вид (4')
Формула (5) примет вид (5')
При низком значении измеряемого напряжения случаи попадания импульса считывания на время сброса интегратора будут происходить редко. И тогда в большинстве случаев поправка нониус будет определяться на основании разности показаний вспомогательного АЦП.
При высоком значении входного напряжения практически всегда импульсы считывания будут попадать на сброс интегратора. В таком случае результат не будет зависеть от показания вспомогательного АЦП и будет полностью основан на замеренных временах прихода импульсов.
Калибровка устройства легко поддается автоматизации. На время калибровки на вход устройства необходимо подать постоянное напряжение и по критерию минимального квадратичного отклонения определить константы Uth+ Uth- и Uh.
Предлагаемое устройство было реализовано с использованием микросхемы 1316ПП1У и микроконтроллера 1986ВЕ9х.
В качестве вспомогательного аналогово-цифрового преобразователя был использован АЦП входящий в состав микроконтроллера, а в качестве схемы измерения времени прихода импульсов сброса интегратора, использовались таймеры, входящие в состав микроконтроллера.
Предлагаемый способ автором был реализован в виде программы для микроконтроллера.
Результаты работы предлагаемого решения приведены на рисунке 5. На вход устройства подавалась синусоидальное напряжение амплитудой 0.5 В и частотой 1.3 Гц. В течение секунды было произведено 1000 замеров длительностью по 1 миллисекунде каждое. На графике серым цветом показано измеренное напряжение без учета увеличения разрешающей способности, а темным с учетом. Из сравнения графиков видно, что разрешающая способность существенно увеличилась.
Источники информации
[1] ПРОБЛЕМЫ РАЗРАБОТКИ ПЕРСПЕКТИВНЫХ МИКРО - И НАНОЭЛЕКТРОННЫХ СИСТЕМ (МЭС) Издательство: Институт проблем проектирования в микроэлектронике РАН (Зеленоград) ISSN: 2078-7707 Номер: 1 Год: 2010 Страницы: 521-526 УДК: 621.382 Ю.В. Агрич, В.Б. Лифшиц Разработка прецизионного преобразователя напряжения в частоту
[2] Информационный листок Микросхема прецизионного преобразования напряжения в частоту 5400ТР015 001 Разработки Дизайн Центр Союз http://www.dcsoyuz.com/files/content/bmk/specinkacija_5400tr014_ver1.2.pdf