Аналого-цифровой интегратор

СОЮЗ СОВЕТСКИХСОЦИАЛИСТИЧЕСКИРЕСПУБЛИН АБ 06 О 7/1 Б вф.1 юр О АНИЕ ИЗОБРЕТЕН нов ю е ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ СССРПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТИЙ АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВ(71) Ленинградский ордена Ленина электротехнический институт им. В.И. Ульянова (Ленина) (53) 681,335(088.8)(56) 1. Авторское свидетельство СССР У 578615, кл, С 06 С 7/18, 1977.2, Байда Л.И., Белаш Г.П, и Юрков Ю,В. Расширение динамического диапазона измерительного преобразования радиоимпульсных сигналов, - Материалы Второго всесоюзного симпозиума Нелинейные искажения в приемно-усили тельных устройствах". Минск, 1980, с. 306 (прототип).(5 В)(57) Андлого-цифРовоИ интегРАТОР, содержащий операционный усилитель, масштабный резистор, П интегрирующих конденсаторов,о. двухпоэиционных ключей, аналого-циФровой преобразователь, регистр сдвига, перемножитель кОдов и первый компаратор, причем первые обкладки интегрирующихконденсаторов соединены с входом опе-.рационного усилителя и с одним. извыводов масштабного резистора, другой вывод которого является входоминтегратора, вторые обкладки интегрирующих конденсаторов подключены к входам двухпозиционных ключей, первые выходы которых соединены с выходом операционного усилителя, а управ ляющие входы подключены к соответствующим выходам регистра сдвига, первый и второй входы которого являются соответственно входами запуска и ЯО 1013978 сброса интегратора, выход операционного усилителя подключен к первому входу первого компаратора, второй вход которого соединен с .входом опор" ного напряжения интегратора, и к первому входу аналого-цифрового преобразователя, выходы которого подключены к первой группе входов/перемножителя кодов, а выходы перемножителя кодов являются цифровым выходом интеграто-. ра, о т л и ч а ю щ и й с я тем, что, с целью расширения динамического диапазона интегрируемых сигналов, в интегратор введены второй и третий компараторы, аналоговый инвертор, преобразователь кодов, коммутатор, эле-мент ИЛИ, дополнительный ключ и дополнительный интегрирующий конденсатор, включенный между входом и выходом опе- еае рационного усилителя, вход дополнительного ключа соединен с входом операционного усилителя, его выход - с выходом операционного усилителя, а управляющий вход соединен с соответст вующим выходом регистра сдвига, вторы выходы двухпозиционных ключей подключены к шине нулевого потенциала, вход опорного напряжения подключен к первому входу коммутатора и через аналоговый инвертор - к первому входу второго компаратора, вторым входом соединенного с выходом операци онного усилителя, и к второму входу коммутатора, выход которого под" ключен к второму входу аналого"циф- уф рового преобразователя, выходы первого и второго коипараторов соедине- . ны с входами элемента ИЛИ, выходом подключенного к тактовому входу регистра сдвига, выходы регистра сдвига через преобразователь кодов1013978 подключены к второй. группе входовперемножителя кодов, входы третьегокомпаратора соединены соответственнос выходом операционного усилителя и Изобретение относится к автоматике, измерительной технике и радиоэлектронике.Известен аналого-цифровой интегратор (АЦИ), содержащий последовательно соединенные аналоговый интегратор и аналого-цифровой преобразова" тель (АЦП). АЦИ осуществляет опярацию интегрирования входного аналогового сигнала с последующим преобразованием полученного результата в циф" ровой код 1 1 .Существующие АЦИ обладают незначительным по амплитуде динамицеским диапазоном обрабатываемых (интегрируемых) сигналов. Ограничение динамического диапазона обусловлено погреш" ностями квантования, вносимыми АЦП, и погрешностями аналогового интегрирования, вюсимыми интегратором, вхо О дящмм в состав АЦИЛинейный уцасток выхьямого напряжения усилителя с конденсатором в цепи обратной свбзи (выполняет роль интегратора) ограничен шумами усилителя (снизу) и напряжени ем насыщения усилителя (сверху), Снижение погрешностей квантования, а следовательно, и некоторое расширение динамического диапазона; может быть обеспечено за счет увеличения разряд.- зО ности АЦП. Нб даже незначительное увеличение разрядности АЦП (до 12" 11 двоичных разрядов) приводит к значительному возрастанию сложности и стОимОсти аппаратуры а также к Воэ растанию времени аналого-цифрового преобразования.Наиболее близким к предлагаемому устройству является АЦИ, входящий в состав измерителя квадратурных со". 4 О ставляющих сигналов, содержащий регистр сдвига, перемножитель кодов, компаратор, АЦП, усилительрезистор, о конденсаторов, и двухпозиционных ключей, причем одна из обкладок конденсаторов соединена с входом усилителя и с одним иэ выводов резистора, другой вывод которого является вхос шиной нулевого потенциала, а еговыход является выходом знака интег"ратора и подключен к управляющемувходу коммутатора,дом устройства, вторые обкладки каждого конденсатора соединены с входами соответствующих двухпозиционныхключей, выход усилителя соединен свходом АЦП, с объединенными вторымивыходами двухпозиционных ключей и спервым входом компаратора, второйвход которого и вход опорного напряжения АЦП соединен с входом опорногонапряжения устройства, выход компара"тора соединен с тактовым входом ре"гистрасдвига, выходы которого соединены с входами управления соотретствующих двухпозиционных ключей,выходы АЦП соединены с первой группой входов перемножителя кодов, выход которого является выходом устройства, вторая группа входов пере-.множителя кодов соединена с выходами регистра сдвига, первый выход первого двухпозиционного ключа соединенс общей шиной, первые выходы остальных двухпозиционных ключей, начинаяс второго, соединены с входом дополнительного опорного напряжения устройства 21,Недостатком устройства являетсявозможность интегрирования входныхсигналов только одной полярности сопорным напряжением (0).Целью изобретения является расширение динамицеского диапазона ин"тегрируемых сигналов,Поставленная цель достигается тем,цто в АЦИ,содержащий операционныйусилитель, масштабный резистор, Ьинтегрирующих конденсаторов, н двух-,позиционных ключей, АЦП, регистрсдвига, перемножитель кодов и первый компаратор, причем первые обкладки интегрирующих конденсаторов соединеныс входом операционного усилителя и содним из выводов масштабного резисто.ра, другой вывод которого являетсявходом интегратора, вторые обкладкиинтегрирующих конденсаторов подключены к входам двухпозиционных ключей,первые выходы которых соединены с вы3 10139 ходом операционного усилителя, а управляющие входы подключены к выходам регистра сдвига,первый и второй входы которого являются соответственно входами запуска и сброса интегратора, выход операционного усилителя подключен к первому входу первого компаратора, второй вход которого соединен с входом опорного напряжения . интегратора, и к первому входу АЦП, выходы которого подключены к первой группе входов перемножителя кодов, а выходы перемножителя кодов являются цифровым выходом интегратора, введены второй и третий компараторы, ана 15 логовый инвертор, преобразователь кодов, коммутатор, элемент .ИЛИ, дополнительный ключ и дополнительный интегрирующий конденсатор, включенный между входом и выходом операционного усилителя, вход дополнительного ключа соединен с входом операционного .усилителя, его выход " с выходом операционного усилителя, а управляющийвход соединен с соответствующим выходом регистра сдвига, вторые выходы двухпозиционных ключей подключены к шине нулевого потенциала, вход опор"ного напряжения подключен к первомувходу коммутатора и через аналоговыйинвертор - к первому входу второго ЗЗкомпаратора, вторым входом соединен"ного с выходом операционного усилите" ля, и к второму входу коммутатора, выход которого подключен к второму . входу АЦД, выходы первого и второго ззкомпараторов соединены с входами зле" мента ИЛИ, выходом подключенного ктактовому входу регистра сдвига, вы-ходы регистра сдвига через преобра зователь кодов подключены к второй 4 о группе входов перемножителя кодов,. ; входы третьего компаратора соединены соответственно с выходом операционного: усилителя и с шиной нулевогопотенциала, а его выход является 4 э .выходом знака интегратора и подключен к управляющему входукоммутатораСущность предлагаемого решения заключается в том, что в момент дости" жения выходным напряжением усилителя50 значения опорного напряжения ( ).или значения инвертированного опор" ного напряжения 1"О ) производитсяОпподключение параллельно конденсатору обратной связи усилителя нового. конденсатора с нулевым электрическим эа, рядом. На чертеже изображена схема АЦИ. 78 4 АЦИ содержит масштабный резистор 1,аналоговый инвертор 2,о интегрирующих конденсаторов 3, р двухпозиционных ключей 4, операционный усили" тель 5, регистр 6 сдвига, первый компаратор 7, второй компаратор 8, эле" мент ИЛИ 9, преобразователь 1 О кодов,АЦП 11, третий компаратор 12, пере" множитель 13 кодов, коммутатор 14, дополнительный интегрирующий конденсатор 15, дополнительный ключ 16.Одна из обкладок конденсаторов 3 и конденсатора 15 соединена с входом операционного усилителя 5 и с одним иэ выводов резистора 1, второй вывод резистора 1 является входом устройст" ва. Вторые обкладки. каждого конденсатора 3 соединены с входами соответствующих двухпозиционных ключей 4,выход операционного усилителя 5 соединен с входом АЦП 11, с объединеннымивторыми входами всех двухпозиционныхключей 4 и с первым входом первогокомпаратора 7, второй вход первогокомпаратора 7 соединен с входом опор"ного напряжения устройства. Первыевыходы всех двухпозиционных.ключей 4объединены выходы АЦП 11 соединены спервой группой входов перемножителя 13 кодов, выход перемножителя 13кодов является выходом устройства.Входы управления двухпозиционных.ключей 4 соединены с выходом регистра 6сдвига, вход опорного напряжения уст"ройства соединен с первым. входом ком",мутатора 14 и с входом аналогового .инвертора 2. Выход аналогового инвертора 2 соединен с первым входом вто- .рого компаратора 8 и с вторым входом .коммутатора 14.,Выход операционногоусилителя 5 соединен с второй обклад"кой дополнительного конденсатора 15,вторым входом второго компаратора 8,входом третьего компаратора 12 и выходом дополнительного ключа 16, входкоторого подключен к входу операционного усилителя объединенные первые выходы двухпозиционных ключей 4 соединены с общей шиной; выходы первогокомпаратора 7 и второго компаратора 8соединены с входами элемента ИЛИ 9,выход элемента ИЛИ 9 соединен с так"товым входом регистра 6 сдвига, Входзапуска и вход сброса регистра 6 сдви"га являются входами запуска и сбросаинтегратора. Выходы регистра 6 сдвига соединены с входами преобразовате"ля 10 кодов, выходы которого соединены с второй группой входов перемножи"теля 13 кодов. Второй вход третьего1013978 5компаратора 12 соединен с общей ши"ной; выход третьего компаратора 12соединен с входом управления коммутатора 111 выход коммутатора 111 соединен с входом опорного напряженияАЦП 11, выход третьего компаратора 12является выходом знака выходного кода интегратора,Устройство работает следующим образом, 1 ОПеред началом процесса аналогоцифрового интегрирования входногосигнала (О(й произвОдится установ, ка АЦИ в исходное состояние, Припоявлении импульсного сигнала на входесброса устройства во все п разрядоврегистра 6 сдвига записываются логические "0 на При появлении на входеуправления даухпозиционного ключа 4логического "0", э 1 от ключ находитсяв первом положении 1, замыкается входключа с его первым выходом ) при наличии "1" на входе управления - вовтором положении (замыкается вход ключа с его вторым выходом),Процесс интегрирования нацинаетсяпри появлении "1" на входе запускаинтегратора. При этом в первый (младший) разряд регистра сдвига 6 записывается , первый ключ переводится во второе положение и в цепи обратной связи усилителя 5 включен одинконденсатор 15, Таким образом, исходная постоянная времени аналоговогоинтегратора определяется сопротивлением масштабного резистора 1 и емкос тью конденсатора 15. Как только модуль ОВЬ 1 Х(Чпревышает опорное напря"жение Ооп сразу срабатывает первый 7(при О й)О ) или второй 8 (приО. 1) Е- Ч ) компаратор и на выходе 40ЬЫэлемента ИЛИ 9 образуетсл перепад напряжения (переход из "0" в "1"), покоторому появляется "1" и на второмвыходе регистра сдвига 6. Теперь ужедва ключа находлтся во втором положе знии, а это значит, что параллельнопервому конденсатору 15 подключенвторой конденсатор 3, прицем электрицеский заряд на вновь подключаемомконденсаторе равен нулю, так как доподключения он был соединен с общейшиной, Выходное напряжение О ,с)уменьшается по абсолютной величине,так как имевший место заряд на конденсаторе 15 перераспределяется междуконденсаторами 15 и 3, соединеннымипараллельно. ЬЕсли после дальнейшего процессаинтегрированил выходное напряжениеусилителя О с) по абсолютной вели"чине вновь превышает О то по сигна 011 тлу элемента ИЛИ 9 в регистра сдвига 6единицы записываются уже в трех пер"вых разрлдах, следовательно, в цепиобратной связи будет включено параллельно три конденсатора,В момент окончания процесса интегрирования 1 и исчезновения О 1 й)екна входе ЩИ на вход запуска устрой"ства поступает логический "0" и выходное напряжение усилителей преобразуется АЦП 11 в код, Причем., еслиОв)0, то на выходе третьегокомпаратора 12, явллющегося выходомзнака выходного кода АЦИ, присутствует "1", которая поступает на вход уп"равления коммутатора 141 а тот, всвою очередь, подключает к входу опор"ного напряжения АЦП напрлжение ОБсли О Фк) ( О, на выходе третьевыго компаратора 12 "0", и коммутаторподключает к входу опорного напряжения АЦП напряжение с выхода аналогового инвертора 2 (-О 11).После окончания преобразования напряжения в код на выходе АЦП образу"ется код МА 1111,Код с выхода регистра 6сдвига (М ), содержащий в 3 с разрядахлогические "1", а в остальных (и-к)разрядах - логические "0", преобразуется преобразователем 10 кода в но"Кзмй коди С С .Таким образом,число 1 Чкп указывает во сколько разувеличилась постоянная времени интегратора в процессе интегрирования входного сигнала. На выходе перемножителя 13 кодов, являющимся одновременновыходом АЦИ, после перемножения появляется код НА 111 М= М 11 МПеред началом следующего цикла интегрирования АЦИ вновь устанавливается в исходное состояние с приходомимпульса на вход сброса устройства.При появлении "1" на входе запусканачинаетсл новый цикл аналого-цифрового интегрирования.Достоинство предложенного АЦИ состоит в том, что он .работает от двухполярных сигналов, кроме -того, он ре-.агирует на любые изменения полярности входного сигнала в процессе интегрирования, Предложенный АЦИ обеспечивает высокую точность интегрирования.