Главная страница  |  Описание сайта  |  Контакты
Патент на изобретение №2457617

(19)

RU

(11)

2457617

(13)

C1

(51) МПК H03M1/52 (2006.01)

(12) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ К ПАТЕНТУ Статус: по данным на 27.08.2012 - действует Пошлина:

(21), (22) Заявка: 2011132742/08, 03.08.2011

(24) Дата начала отсчета срока действия патента:

03.08.2011

Приоритет(ы):

(22) Дата подачи заявки: 03.08.2011

(45) Опубликовано: 27.07.2012

(56) Список документов, цитированных в отчете о

поиске: RU 2292642 С1, 27.01.2007. RU 2294595 С1, 27.02.2007. SU 1438002 А1, 15.11.1988. JP 58164318 А, 29.09.1983. JP 61224729 А, 06.10.1986.

Адрес для переписки:

440605, г.Пенза, пр-д Байдукова/ул. Гагарина, 1а/11, ФГБОУ ВПО "ПГТА", инженеру-патентоведу Е.В. Вострокнутову

(72) Автор(ы):

Куц Александр Валентинович (RU),

Михеев Михаил Юрьевич (RU),

Пискаев Кирилл Юрьевич (RU),

Юрманов Валерий Анатольевич (RU)

(73) Патентообладатель(и):

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Пензенская государственная технологическая академия" (RU)

(54) СПОСОБ ИНТЕГРИРУЮЩЕГО АНАЛОГО-ЦИФРОВОГО ПРЕОБРАЗОВАНИЯ НАПРЯЖЕНИЯ

(57) Реферат:

Изобретение относится к области электроизмерительной техники, в частности к интегрирующему преобразованию постоянного напряжения. Техническим результатом является повышение быстродействия. Способ основан на формировании последовательности временных тактов преобразования фиксированной длительности, в каждом из которых формируют три развертывающие функции, выделяют информативный интервал времени и преобразуют информативные интервалы времени в цифровой код, причем для формирования первой развертывающей функции с момента времени, соответствующего началу каждого такта преобразования, осуществляют интегрирование суммы входного напряжения и опорного напряжения положительной полярности и вычитание из положительного порогового напряжения текущего интегрального значения, для формирования второй развертывающей функции осуществляют интегрирование суммы входного напряжения и опорного напряжения отрицательной полярности и с момента времени, соответствующего равенству значений развертывающих функций, фиксируют значение первой развертывающей функции равным значению положительного порогового напряжения, а для формирования второй развертывающей функции осуществляют интегрирование суммы входного напряжения и опорного напряжения положительной полярности, с момента времени, соответствующего середине каждого такта фиксированной длительности, формируют третью развертывающую функцию путем интегрирования суммы входного напряжения и опорного напряжения отрицательной полярности и суммирования с отрицательным пороговым напряжением текущего интегрального значения, а с момента времени, соответствующего равенству значений второй и третьей развертывающих функций, фиксируют значение третьей развертывающей функции равным значению отрицательного порогового напряжения, длительность информативных интервалов времени определяют как разность интервалов времени интегрирования опорных напряжений положительной и отрицательной полярности соответственно. 4 ил.

Изобретение относится к электроизмерительной технике. Цель изобретения - повышение быстродействия.

Известны способы интегрирующего аналого-цифрового преобразования напряжения: патент ФРГ 2214602, кл. G01R 19/26, 04.09.75; Орнатский П.П. Автоматические измерения и приборы. Киев: Вища школа, 1973, с.435-437. В данных способах имеют место пропуски информации о входном напряжении.

Среди всех способов, осуществляющих аналого-цифровое преобразование без пропусков информации и представленных в статье Шахов Э.К., Ашанин В.Н., Надев А.И. «Реализация концепций -АЦП в интегрирующих АЦП с другими видами импульсной модуляции» / Известия высших учебных заведений (Поволжский регион). Пенза: ПГУ, 2006, 6, С.226-237, наиболее близким является способ интегрирующего аналого-цифрового преобразования напряжения, представленный на Фиг.1 (временная диаграмма, поясняющая рассматриваемый способ). На Фиг.2 показана структурная схема устройства для его осуществления.

Данный способ интегрирующего аналого-цифрового преобразования основан на формировании последовательности временных тактов преобразования фиксированной длительности, в каждом из которых формируют две развертывающие функции, выделяют информативный интервал времени и преобразуют информативные интервалы времени в цифровой код, причем для формирования первой развертывающей функции с момента времени, соответствующего началу каждого такта преобразования, осуществляют интегрирование суммы входного напряжения и опорного напряжения положительной полярности и вычитание из положительного порогового напряжения текущего интегрального значения, а для формирования второй развертывающей функции осуществляют интегрирование суммы входного напряжения и опорного напряжения отрицательной полярности и с момента времени, соответствующего равенству значений развертывающих функций, фиксируют значение первой развертывающей функции равным значению положительного порогового напряжения, а для формирования второй развертывающей функции осуществляют интегрирование суммы входного напряжения и опорного напряжения положительной полярности, длительность информативных интервалов времени определяют как разность интервалов времени интегрирования опорных напряжений положительной и отрицательной полярности соответственно.

В соответствии с Фиг.1 R 1 (t) - первая развертывающая функция, R 2 (t) - вторая развертывающая функция. В т. A[i] значения первой и второй развертывающих функции равны R 1 (t)=R 2 (t). На Фиг.1 показан случай изменения входного напряжения от нулевого значения до значения U x , выделены моменты переключений значений опорных напряжений (+U 0 ) и (-U 0 ): T 1 [1] T 1 [4] - интервалы времени от начала временного такта преобразования фиксированной длительности (равной T 0 ) до момента времени равенства первой и второй развертывающей функции, T 2 [1] T 2 [4] - интервалы времени от момента времени равенства первой и второй развертывающей функции до момента времени начала следующего временного такта преобразования фиксированной длительности. Длительность информативных интервалов T времени определяют как разность интервалов T 2 [i], T 1 [i] времени интегрирования опорных напряжений положительной и отрицательной полярности соответственно ( T=T 2 [i]-T 1 [i], где i - номер временного такта преобразования фиксированной длительности). Рассмотрим данный способ на примере устройства, осуществляющего измерение постоянного напряжения.

Устройство, показанное на Фиг.2, содержит основной 1 и вспомогательный 2 интеграторы, управляемый переключатель 3 опорных напряжений, компаратор 4, операционный усилитель 5, формирователь 6 порогового уровня, источник опорного напряжения 7 (ИОН), генератор 8 опорной частоты (ГОЧ), устройство 9 управления, управляемый ключ 10 и вычислительное устройство 11 (ВУ). Причем выход переключателя 3 соединен с входом 1 основного интегратора 1, а его входы с источником опорного напряжения 7 и УУ 9; на вход 2 основного интегратора 1 и на вход 1 вспомогательного интегратора 2 подается входное напряжение; на вход 2 вспомогательного 2 интегратора постоянно подается положительное опорное напряжение с источника опорного напряжения 7; выходы основного и вспомогательного интеграторов соединены соответственно с входами 1 и 2 компаратора 4, который подает сигнал управления на вход 1 УУ 9; УУ 9 управляет работой переключателя 3, ключа 10 и ВУ 11; на вход 2 УУ 9 и вход 1 ВУ 11 подается опорная частота с ГОЧ 8; выход ОУ 5 через ключ 10 соединен с входом 3 интегратора 2; формирователь 6 порогового уровня подает величину порогового напряжения на вход 2 операционного усилителя 5.

Развертывающая функция R 2 (t) формируется интегратором 1, а развертывающая функция R 1 (t) - интегратором 2. Момент равенства развертывающих функций (т.A) фиксируется компаратором 4. В этот же момент (т.A) интегратор 2 через ключ 10 охватывается обратной связью и значение развертывающей функции R 1 (t) становится равным пороговому напряжению U n . Полярность опорного напряжения U 0 переключается в начале каждого такта преобразования фиксированной длительности T 0 , а также в моменты срабатывания компаратора 4.

Генератором 8 опорной частоты формируется последовательность временных тактов преобразования фиксированной длительности T 0 , в каждом из которых формируются две развертывающие функции. Первая развертывающая функция R 1 (t) формируется интегратором 2 и операционным усилителем 5 следующим образом: с начала такта преобразования фиксированной длительности значения R 1 (t) формируются путем вычитания из положительного порогового напряжения U П текущего интегрального значения суммы входного U x и опорного U 0 напряжений; с момента равенства развертывающих функций (т.A), фиксируемого компаратором 4, R 1 (t) устанавливается равной U П до конца текущего такта Т 0 за счет замыкания ключа 10. Вторая развертывающая функция R 2 (t) формируется интегратором 1 путем интегрирования разности входного U x и опорного U 0 напряжений с начала такта преобразования фиксированной длительности Т 0 до момента равенства развертывающих функций (т.A) и интегрирования суммы входного U x и опорного U 0 напряжений от т.A и до конца текущего такта Т 0 за счет подключения отрицательного или положительного опорного напряжений источника 7 с помощью ключа 3 в моменты времени начала очередного текущего такта Т 0 или срабатывания компаратора 4 соответственно. Длительность информативных интервалов времени T 0 определяют в вычислительном устройстве 11 как разность интервалов времени (T 1 [i] и T 2 [i]) интегрирования опорных напряжений положительной и отрицательной полярности в процессе формирования второй развертывающей функции соответственно.

Основной недостаток данного способа и, следовательно, устройства заключается в наличии переходного процесса при изменении входного напряжения (см. Шахов Э.К., Ашанин В.Н., Надев А.И. «Реализация концепций -АЦП в интегрирующих АЦП с другими видами импульсной модуляции» / Известия высших учебных заведений (Поволжский регион). Пенза: ПГУ, 2006, 6 С.226-237).

В установившемся режиме U x =const значения U B [i] развертывающей функции R 2 (t) в точках B(i) равны, т.е. U B [i-1]=U B [i] и T 1 [i-1]=T 1 [i] и T 2 [i-1]=T 2 [i]. Из уравнения для второй развертывающей функции R 2 (t)

найдем функцию преобразования:

где - интервал преобразования, , n - количество тактов преобразования фиксированной длительности, - постоянная времени интеграторов. Полученное значение

преобразуется в цифровой код в ВУ 11.

Переходной процесс на временных диаграммах сформирован подключением на вход устройства в случайный момент времени стандартного воздействия в виде скачка напряжения. Видно, что точки A[0], A[1], A[2], A[3], определяющие момент переключения полярности опорного напряжения, т.е. длительность информативных интервалов времени, меняют свое положение в каждом такте преобразования фиксированной длительности T 0 . Длительность переходного процесса составляет два такта преобразования фиксированной длительности T 0 . Таким образом, только в 3-м такте (т.A[3]) результат преобразования будет соответствовать входному напряжению.

Для подтверждения данного недостатка найдем значения информативного интервала T[i] (i - номер текущего цикла преобразования) в 0, 1, 2 и 3-м тактах преобразования. Значения U B [i] найдем из уравнения

где t - текущее время в течение интервала фиксированной длительности T 0 , - постоянная времени интеграторов 1 и 2 (поскольку постоянные времени интеграторов 1 и 2 являются константами, следовательно, не оказывают влияния на длительность переходного процесса, для упрощения расчетов можем считать R 1 =R 2 =R 3 =R 4 =R, C 1 =C 2 =C и =RC). Также на временных диаграммах Фиг.1 для определенности принято U П =U 0 и 2 =Т 0 .

Из формулы (2) следует, что

Значения U B [2], U B [3] и U B [4] найдем аналогично из формулы (2).

Поскольку изменение U x происходит в случайный момент времени, обозначим интервал времени от начала такта преобразования фиксированной длительности Т 0 до момента изменения U x через t, тогда: t=kT 0 , где 0 k 1.

Найдем значение U B [2]:

Начиная с 3-го такта, k=0, поэтому значения U B [3] и U B [4] будут равны U B [3]=U B [4]=2U X -U 0 .

Для т.A можно записать следующее равенство развертывающих функций:

R 1 (T 1 [i])=R 2 (T 1 [i]).

Или в развернутом виде: .

Отсюда выразим

Найдем значение интервала T 0 =T 1 [i]-T 2 [i]. Учитывая, что T 2 [i]=T 0 -T 1 [i]), получаем

T 0 =T 1 [i]-T 0 +T 1 [i]=2T 1 [i]-T 0 .

Так как T 0 =const, U n =const, то при T 1 [i]=const для U x =const переходный процесс заканчивается, т.е. при U B [3]=U B [4] получаем T 1 [3]=T 1 [4].

Следовательно, длительность переходного процесса составляет 2 такта: скачок напряжения U x произошел в 1-ом такте, а правильный результат преобразования получен в 3-м такте, что ограничивает быстродействие данного преобразователя (описанного в способе-прототипе).

С целью повышения быстродействия в способ интегрирующего аналого-цифрового преобразования, основанный на формировании последовательности временных тактов преобразования фиксированной длительности, в каждом из которых формируют две развертывающие функции, выделяют информативный интервал времени и преобразуют информативные интервалы времени в цифровой код, причем для формирования первой развертывающей функции с момента времени, соответствующего началу каждого такта преобразования, осуществляют интегрирование суммы входного напряжения и опорного напряжения положительной полярности и вычитание из положительного порогового напряжения текущего интегрального значения, а для формирования второй развертывающей функции осуществляют интегрирование суммы входного напряжения и опорного напряжения отрицательной полярности, и с момента времени, соответствующего равенству значений развертывающих функций, фиксируют значение первой развертывающей функции равным значению положительного порогового напряжения, а для формирования второй развертывающей функции осуществляют интегрирование суммы входного напряжения и опорного напряжения положительной полярности, длительность информативных интервалов времени определяют как разность интервалов времени интегрирования опорных напряжений положительной и отрицательной полярности соответственно, дополнительно в процессе преобразования формируют третью развертывающую функцию, для этого с момента времени, соответствующего середине каждого такта фиксированной длительности, осуществляют интегрирование суммы входного напряжения и опорного напряжения отрицательной полярности и суммирование с отрицательным пороговым напряжением текущего интегрального значения, а с момента времени, соответствующего равенству значений второй и третьей развертывающих функций, фиксируют значение третьей развертывающей функции равным значению отрицательного порогового напряжения, а вторую развертывающую функцию формируют путем интегрирования суммы входного напряжения и опорного напряжения отрицательной полярности.

Временные диаграммы, поясняющие работу предлагаемого способа, приведены на Фиг.3, где R 1 (t) - первая развертывающая функция, R 2 (t) - вторая развертывающая функция, R 3 (t) - третья развертывающая функция. В точках A[0] A[n] значения первой и второй развертывающих функций равны (R 1 (t)=R 2 (t)), в точках B[0] В[n] значения второй и третьей развертывающих функций равны (R 2 (t)=R 3 (t)). В верхней части Фиг.3 показаны моменты переключения значений опорного напряжения U 0 /-U 0 . T 1 [1] T 1 [n] - интервалы времени от начала временного такта преобразования фиксированной длительности до момента времени равенства первой и второй развертывающей функции. Т 2 [1] Т 2 [n] - интервалы времени от момента времени, равного середине интервала времени такта преобразования фиксированной длительности до момента времени равенства второй и третьей развертывающей функции, n - количество тактов преобразования фиксированной длительности, входящих в интервал преобразования T n .

Устройство, реализующее предложенный способ и показанное на Фиг.4, содержит основной 1 и вспомогательные 2, 12 интеграторы, управляемый переключатель 3 опорных напряжений +U 0 и -U 0 , компараторов 4, 14, операционных усилителей 5, 15, формирователей порогового уровня 6, 16, источника опорного напряжения 7 (ИОН), генератора 8 опорной частоты (ГОЧ), управляемых ключей 10, 13 и вычислительного устройства 11 (ВУ). Причем выход переключателя 3 соединен с входом 1 основного интегратора 1, а его входы с источником опорного напряжения 7 и УУ 9. На вход 2 основного интегратора 1 подается входной (измеряемый) сигнал. На вход 1 вспомогательных интеграторов 2 и 12 постоянно подается входное напряжение и на вход 2 вспомогательного интегратора 2 постоянно подается отрицательное опорное напряжение -U 0 с ИОН 7, а на вход 2 вспомогательного интегратора 12 положительное опорное напряжение +U 0 с ИОН 7. Выходы основного 1 и вспомогательного 2 интеграторов соединены соответственно с входами 1 и 2 компаратора 4, который соединен с входом 1 УУ 9. Выходы основного 1 и вспомогательного 12 интеграторов соединены соответственно с входами 1 и 2 компаратора 14, который соединен с входом 3 УУ 9. На вход 1 аналоговых сумматоров 18 и 19 подаются выходные напряжения с вспомогательных 2 и 12 интеграторов соответственно. Выходное напряжение с аналогового сумматора 18 подается на операционный усилитель 5, а с аналогового сумматора 19 подается на операционный усилитель 15. Операционные усилители 5 и 15 подключены к входам 2 компараторов 4, 14. На вход 2 УУ 9 и на вход 1 ВУ 11 подаются импульсы опорной частоты с ГОЧ 8. Вход 2 УУ 9 управляет работой переключателя 3, ключей 10, 13 и ВУ 11.

Работа устройства осуществляется следующим образом. Как и в устройстве, реализующем способ-прототип, генератором 8 опорной частоты формируется последовательность временных тактов преобразования фиксированной длительности Т 0 . Первая развертывающая функция R 1 (t) формируется интегратором 2, вторая развертывающая функция R 2 (t) формируется интегратором 1, третья развертывающая функция R 3 (t) формируется интегратором 12. На интервале времени от начала такта фиксированной длительности до момента равенства значений первой и второй развертывающих функций R 1 (t)=R 2 (t) т.A) значения R 1 (t) формируются путем вычитания из положительного порогового напряжения U П текущего интегрального значения суммы входного U x и опорного U 0 напряжений; значения R 2 (t) формируются как интегральные значения разности входного и опорного напряжений.

Дополнительно, третья развертывающая функция R 3 (t) формируется интегратором 12 со значения, соответствующего -U П , и с момента времени, сдвинутого относительно начала формирования первой развертывающей функции на интервал времени длительностью , как показано на Фиг.3. Момент равенства значений третьей и второй развертывающих функций фиксируется компаратором 14. На Фиг.3 эти моменты обозначены т.B [i], где i - номер такта фиксированной длительности. Значения напряжений, участвующих в формировании всех развертывающих функций, приведены на диаграмме.

Результат преобразования определяется вычислительным устройством 11 путем вычисления и преобразования в цифровой вид значения

Условия установившегося режима: как в способе-прототипе значения напряжения U A [i] в точках A[i] равны (т.е. U A [i]=U A [i+1]=U A [n]) и дополнительно в точках B[i] U B [i]=U B [i+1]=U B [n], следовательно, в установившемся режиме интервал времени между точками A[i] и A[i+1] равен Т 0 ; интервал между точками B[i] и B[i+1] также равен Т 0 и T 1 [i]=T 1 [i+1]=T 1 [n], T 2 [i]=T 2 [i+1]=Т 2 [n]. Из уравнения формирования второй развертывающей функции R 2 (t) за интервал Т 0

U x +(T + [i]+T - [i])+U 0 (T + [i]-T - [i])=0

можно найти выражение для результата преобразования

или и для интервала преобразования T П , где T П =nT 0 .

Аналогично, как в способе прототипе, рассмотрим скачкообразное изменение U x в случайный момент времени. Обозначим интервал времени от начала такта преобразования фиксированной длительности Т 0 до момента изменения U x через t, тогда: t=kT 0 , где 0 k 1. Также будем считать, что U П =U 0 и 2 =Т 0 .

Тогда значение напряжения в т.A [1] будет определяться выражением:

U A [1]=U П -2(U 0 +U x (1-k)).

Из диаграммы Фиг.3 видно, что со второго такта k=0, и значения U A [2]=U A [3], a U B [2]=U B [3].

Поэтому, начиная с интервала времени T 1 [2], процесс преобразования можно считать установившимся, следовательно, результат преобразования, начиная с этого интервала времени, должен определяться в соответствии с выражениями (1) - для способа-прототипа и (3) - для предлагаемого способа.

Таким образом, если скачок входного напряжения произошел между началом интервала T 1 [1] формирования R 1 (t) и началом интервала Т 2 [1] формирования R 3 (t), переходный процесс заканчивается до начала интервала T 1 [2], т.е. его длительность лежит в пределах от до Т 0 (как показано на Фиг.3), аналогично, если скачок входного напряжения произошел между началом интервала T 2 [1] формирования R 3 (t) и началом интервала T 1 [2] формирования R 1 (t), то переходный процесс закончится до начала интервала Т 2 [2] и также не превышает значения T 0 .

Поскольку в способе-прототипе длительность переходного процесса составляет 2 такта фиксированной длительности T 0 , то при прочих равных условиях быстродействие предлагаемого способа как минимум в 2 раза выше.

Для подтверждения этого напишем уравнение для приращений второй развертывающей функции R 2 (t) на следующих интервалах времени:

1) от начала T 1 [0] до начала T 1 [1]:

Упростив, получаем:

U 0 (T + [0]+T - [0]-T 1 [0]-T 1 [1])=0, как и следовало ожидать, поскольку U x =0.

2) от начала T 1 [1] до начала T 1 [2] (присутствует скачок входного напряжения):

Упростив, получаем:

видно, что данное выражение отличается от выражения (3) для установившегося режима наличием kT 0 .

3) от начала T 1 [2] до начала T 1 [3]

Упростив, получаем:

Учитывая, что в установившемся режиме T 1 [2]=T 1 [3]=T 1 [i], получаем выражение: , может быть переписано в общем виде:

,что совпадает с выражением (3) для установившегося режима.

Таким образом, от момента изменения U x до начала установившегося режима проходит интервал времени длительностью, не превышающей значения T 0 , что и требовалось доказать.

Источники информации

1. Патент ФРГ 2214602, кл. G01R 19/26, 04.09.75.

2. Орнатский П.П. Автоматические измерения и приборы. Киев: Вища школа, 1973, с.435-437.

3. Шахов Э.К., Ашанин В.Н., Надев А.И. Реализация концепций -АЦП в интегрирующих АЦП с другими видами импульсной модуляции./Известия высших учебных заведений (Поволжский регион). Пенза: ПГУ, 2006, 6 С.226-237.

Формула изобретения

Способ интегрирующего аналого-цифрового преобразования основан на формировании последовательности временных тактов преобразования фиксированной длительности, в каждом из которых формируют две развертывающие функции, выделяют информативный интервал времени и преобразуют информативные интервалы времени в цифровой код, причем для формирования первой развертывающей функции с момента времени, соответствующего началу каждого такта преобразования, осуществляют интегрирование суммы входного напряжения и опорного напряжения положительной полярности и вычитание из положительного порогового напряжения текущего интегрального значения, а для формирования второй развертывающей функции осуществляют интегрирование суммы входного напряжения и опорного напряжения отрицательной полярности и с момента времени, соответствующего равенству значений развертывающих функций, фиксируют значение первой развертывающей функции равным значению положительного порогового напряжения, а для формирования второй развертывающей функции осуществляют интегрирование суммы входного напряжения и опорного напряжения положительной полярности, длительность информативных интервалов времени определяют как разность интервалов времени интегрирования опорных напряжений положительной и отрицательной полярности соответственно, отличающийся тем, что, с целью повышения быстродействия, формируют третью развертывающую функцию, для этого с момента времени соответствующего середине каждого такта фиксированной длительности осуществляют интегрирование суммы входного напряжения и опорного напряжения отрицательной полярности и суммирование с отрицательным пороговым напряжением текущего интегрального значения, с момента времени, соответствующего равенству значений второй и третьей развертывающих функций, фиксируют значение третьей развертывающей функции равным значению отрицательного порогового напряжения, а вторую развертывающую функцию формируют путем интегрирования суммы входного напряжения и опорного напряжения отрицательной полярности.

РИСУНКИ