Способ расширения диапазона измеряемых токов преобразователем аналоговых сигналов
METHOD FOR EXTENDING THE RANGE OF CURRENT MEASURED BY AN ANALOGUE SIGNAL CONVERTER

Изобретение относится к области преобразования и измерения сигналов и может быть использовано в аналого-дискретной технике, а именно в интегрирующих аналого-цифровых (АЦП) и аналого-дискретных преобразователях, выполненных на основе преобразователей «напряжение-частота», «ток-частота», а также в δ-Δ АЦП.
Схема широко распространенного АЦП (1) представлена на Фиг. 1. Принцип работы преобразователя заключается в том, что на интегратор (2) поступает входной измеряемый аналоговый сигнал, и выходное напряжение интегратора пропорционально накопленному заряду. Выходной сигнал интегратора, представляющий из себя уровень напряжения, подключен к блоку компараторов (3). Блок компараторов, соединенный с интегратором и логическим устройством (4), представляет собой устройство сравнивающее выходное напряжение интегратора с двумя пороговыми уровнями напряжения.
ЭТ
ЭТ
ЭТ
ЭТ
ЭТ
При достижении выходного напряжения интегратора одного из пороговых уровней, с блока компараторов поступает сигнал на логическое устройство, где формируется сигнал управления ключевой схемой (5). 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 (6) к интегратору на эталонное время, заданное логическим устройством. Таким образом, реализуется отрицательная обратная связь путем списания с интегратора эталонного заряда, q=i⋅τ, где q - эталонный заряд АЦП, i- эталонный ток АЦП, равный максимально возможному входному току. Частота подключения источника эталонного тока к интегратору пропорциональна амплитуде входного аналогового сигнала. При этом выходной информацией АЦП может быть, как частота, так и цифровой код.
BbIX
BX
ЭТ
ЭТ
+
-
+
-
BX
ЭТ
ЭТ
ЭТ
ЭТ
ЭТ
Выходная информация АЦП «напряжение-частота», «ток-частота» в формате частотного выхода имеет следующий вид - f=i / (i⋅τ), а выходная частота δ-Δ АЦП имеет вид: (N-N)/(N+N)=i/i, где вес меньшей дискреты соответствует (τ⋅i). Для уменьшения энергопотребления АЦП эталонный ток выбирается по возможности наименьшим, а для уменьшения погрешности, связанной с фронтами переключения эталонного сигнала, эталонное время выбирается по возможности наибольшим. Диапазон работы такого АЦП не может быть больше i, а выходная информация не может следовать чаще, чем 1/τ. При некоторых применениях АЦП имеет место задача преобразования входного сигнала, превышающего диапазон, установленный для данного АЦП. Для этого применяются усилители входного сигнала с коэффициентом усиления меньше единицы, а при достижении границы диапазона работы АЦП производится переключение коэффициента усиления для того, чтобы входной сигнал укладывался в диапазон [1].
Недостаток данного способа заключается в том, что при его использовании возникают ошибки, связанные с погрешностями усилителя и его токами утечки.
Наиболее близким к предлагаемому изобретению является способ расширения диапазонов работы АЦП, описанный в литературном источнике «Интегрирующие цифровые вольтметры постоянного тока», автор В.А. Прянишников, «Энергия», 1976, с. 153-154. Данный способ заключается в выборе предела измерения, для чего измеряемое напряжение подают на высокоомный делитель, выходное напряжение которого поступает на усилитель и подается в АЦП, при этом одновременно увеличивают эталонное время.
Недостаток заключается в том, что данный способ приводит к искажению входной информации из-за промежуточного усиления.
Задача изобретения состоит в создании способа расширения измеряемых диапазонов преобразователем аналоговых сигналов, не вносящего погрешности в измеряемый сигнал.
Согласно предложенному способу расширения диапазона измеряемых токов преобразователем аналоговых сигналов, выполняются следующие действия:
1. Установка диапазонов токов/напряжений, измеряемых преобразователем аналоговых сигналов, и назначение переменной N для каждого из установленных диапазонов.
2. Определение диапазона входного аналогового сигнала (тока/напряжения) с помощью порогового устройства.
ЭТ
ЭТ
ЭТ
ЭТ
N
N
(1)
(1)
3. Изменение эталонного времени (τ) и напряжения/тока (i) преобразователя аналоговых сигналов, в соответствии с определенным диапазоном на предварительно установленную величину, в N раз меньше установочного эталонного времени (τ) и в N раз больше установочной величины тока/напряжения (i) соответственно.
4. Передача неизмененного аналогового сигнала в преобразователь аналоговых сигналов.
5. Процедура измерения поступающих токов/напряжений (действия по пунктам 2-4) повторяется для каждого поступающего сигнала.
При реализации данного способа эталонное время преобразователя аналоговых сигналов уменьшается в N раз, а величина эталонного напряжения/тока преобразователя аналоговых сигналов соответственно увеличивается в N раз, при этом сохраняется равенство
ЭТ
ЭТ
ЭТ
ЭТ
(1)
(1)
N
i×τ=i×τ, где
ЭТ
ЭТ
N
(1)
i=i×N,
ЭТ
ЭТ
(1)
τ=τ/N,
N - коэффициент расширения диапазона измерения.
В результате преобразования сигнала описанным способом, масштабный коэффициент, разрешающая способность и чувствительность преобразователя аналоговых сигналов остаются постоянными.
ЭТ
ЭТ
f
ЭТ
ЭТ
f
f
f
(1)
(1)
(1)
N
N
N
(1)
N
В дополнение к перечисленному для повышения точности измерения тока/напряжения, возможно осуществление калибровки преобразователя аналоговых сигналов в каждом его дополнительном диапазоне с целью исключения возможного влияния фронтов сигналов при подключении эталонного тока/напряжения. В таком случае, при переключении диапазонов необходимо учесть влияние фронтов сигналов при подключении эталонного тока/напряжения, тогда описанное выше равенство принимает вид I×τ+q=I×τ+q, где q и q - заряд фронтов в соответствующем диапазоне работы.
На фиг. 2 приведена общая структурная схема устройства, которое может быть использовано для реализации данного способа и включает АЦП (1), содержащий: интегратор (2), блок компараторов (3), логическое устройство (4), ключевую схему (5), источник эталонного тока (6), при этом к АЦП (1) дополнительно подключены: блок пороговых устройств (БПУ, 7), устройство переключения диапазонов (УПД, 8), устройство формирования эталонного тока/напряжения (ФЭТ, 9), устройство формирования эталонного времени (далее - ФЭВ, 10).
Пороговые устройства (ПУ), могут быть построенны, например, на основе оптронов (два варианта исполнения таких ПУ представлены на Фиг. 3 и 4, пример схемы их подключения для трех диапазонов - на Фиг. 5 и 6, соответственно). ПУ собраны в единый блок - БПУ, образованный из числа ПУ, равного числу N рабочих диапазонов АЦП для обеспечения трех рабочих диапазонов АЦП.
ЭТ
ЭТ
ПУ состоит из двух оптронов, 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 УПД. УПД представляет из себя логическую схему выдающую два цифровых сигнала на ФЭТ и ФЭВ в зависимости от состояния выхода БПУ. УПД может иметь дополнительный выход для указания диапазона, в котором работает преобразователь, что позволяет использовать различные модели погрешности для различных диапазонов, а также позволяет различать переход на новый диапазон и максимальную частоту преобразователя при выходе из строя блока УПД. ФЭВ (10) связан с логическим устройством (4) АЦП и формирует величину τ эталонного времени. ФЭТ (9) связано с источником эталонного тока (6) и формирует величину i эталонного тока.
К АЦП может быть подключен универсальный калибратор тока/напряжения для проведения его калибровки с целью исключения влияния фронтов сигналов при подключении эталонного тока/напряжения. Не изменяя величину входного аналогового сигнала подбирается такое значение коэффициента N*, при котором выходная частота/информация АЦП не изменяется при переключении диапазонов при постоянном входном сигнале.
N
(1)
N
(1)
ЭТ
ЭТ
ЭТ
Теперь τ=τ/N, a i=i×N*.
Ниже приведен пример реализации заявляемого способа:
1. На пороговых устройствах задаются диапазоны тока/напряжения, применение отдельного порогового устройства для каждого диапазона позволяет повысить точность при работе вблизи границ диапазона преобразования сигнала.
2. С помощью БПУ определяется диапазон входного аналогового сигнала (ток/напряжение). Каждому диапазону соответствует число N-коэффициент расширения измеряемого диапазона (в приведенных на Фиг. 5 и 6 предусмотрено три коэффициента N).
ЭТ
ЭТ
ЭТ
N
(1)
N
(1)
3. На ФЭВ задается эталонное время τ в N раз больше установочного эталонного времени τ, (т.е. эталонное время АЦП уменьшается в N раз). На ФЭТ устанавливается напряжение/ток i в N раз большее первоначальной величины тока/напряжения i, что позволяет преобразовать с помощью АЦП неискаженный входной сигнал при сохранении разрешающей способности во всех диапазонах его работы.
ЭТ
ЭТ
(1)
(1)
4. Измеряемый ток/напряжение из БПУ поступает в АЦП, значения τ и i которого изменены в соответствии с установленным для диапазона коэффициентом N.
ЭТ
ЭТ
i
i
i
2
2
ЭТ
ЭТ
(1)
(1)
(2)
(2)
В качестве примера рассмотрим АЦП, имеющий изначальный диапазон работы до 12 мА (i=12 мА, τ=100 мкс). Пусть диапазон входного сигнала не превышает 65 мА. На входе АЦП установлен БПУ, содержащий три порога: 10 мА, 20 мА и 40 мА. Для обеспечения измеряемых диапазонов выбраны коэффициенты N: 2 (до 24 мА), 4 (до 48 мА), 6 (до 72 мА). При калибровке на вход АЦП подают 5 мА, а эталонное время последовательно увеличивают в 2, 4, 6 раз и определяют N* при котором выходная частота останется неизменной. Эти коэффициенты N*, равные, например, 2,1; 3,95; 6,07 заносятся в УПД. В дальнейшем, в процессе преобразования при помощи АЦП входного сигнала, вызвавшего срабатывание в БПУ порогового устройства, соответствующего, например, диапазону, 20 мА на выходе ФЭВ будет установлено эталонное время, меньшее в N раз, а на выходе ФЭТ - эталонный ток, больший в N* раз, в соответствии с коэффициентом, соответствующим данному диапазону, т.е. i=12×3,95=47,4 мА, τ=100/4=25 мкс.
Технический результат заключается в повышении точности при работе на краях диапазона сигнала и сохранение разрешающей способности во всех диапазонах.
ЭТ
ЭТ
ЭТ
ЭТ
ЭТ
ЭТ
ЭТ
ЭТ
ЭТ
ЭТ
(1)
(1)
(1)
(1)
N
N
N
(1)
N
(1)
Таким образом, заявлен способ расширения диапазона измеряемых токов преобразователем аналоговых сигналов, согласно которому осуществляется установка измеряемых диапазонов токов/напряжений и изменяется эталонное время преобразователя аналоговых сигналов, особенность в том, что при установке диапазонов токов/напряжений, измеряемых преобразователем аналоговых сигналов, осуществляется назначение переменной N для каждого из установленных диапазонов; далее осуществляется процедура измерения поступающих токов/напряжений, при которой для определения диапазона входного аналогового сигнала применяются пороговые устройства, в соответствии с определенным диапазоном осуществляется уменьшение эталонного времени (τ) в N раз и вместе с ним увеличение напряжения/тока (i) в N раз, сохраняя при манипуляциях равенство i×τ=i×τ, в котором i=i×N, а τ=τ/N, после чего осуществляется передача неизмененного аналогового сигнала в преобразователь аналоговых сигналов; процедура измерения поступающих токов/напряжений повторяется для каждого поступающего сигнала.
Также возможен вариант осуществления способа расширения диапазона измеряемых токов преобразователем аналоговых сигналов, в котором после установки диапазонов токов/напряжений, измеряемых преобразователем аналоговых сигналов и назначения переменной N для каждого из установленных диапазонов, осуществляется калибровка преобразователя аналоговых сигналов.