аналого-цифровой преобразователь с расширенным динамическим диапазоном

Формула изобретения

Аналого-цифровой преобразователь с расширенным динамическим диапазоном, содержащий масштабирующее устройство, выполненное с фиксированным набором коэффициентов передачи, на один из входов которого подается преобразуемое напряжение, а выход подключен к входу аналого-цифрового преобразователя с фиксированным диапазоном, отличающийся тем, что он снабжен устройством выбора поддиапазонов, число компараторов которого выбирается на единицу меньше числа поддиапазонов, соединенным с преобразователем кода, при этом в устройстве выбора поддиапазонов на первый вход каждого компаратора подается преобразуемое напряжение, на второй вход - опорное напряжение, соответствующее поддиапазону, а выход подключен соответственно к одному из группы входов масштабирующего устройства и одному из входов первой группы преобразователя кода, ко второй группе входов которого подключены выходы разрядов аналого-цифрового преобразователя с фиксированным диапазоном.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к аналого-цифровым преобразователям (АЦП), и может быть использовано в цифровых системах оперативного контроля для измерения аналоговых величин.

Известен аналого-цифровой преобразователь, содержащий микроконтроллер со встроенным аналоговым компаратором, биполярный транзистор, эмиттер которого подключен к плюсу источника питания, конденсатор, подключенный к коллектору транзистора и к неинвертирующему входу аналогового компаратора, четыре резистора, из которых первый включен между базой транзистора и дискретным выходом микроконтроллера, а второй, третий и четвертый - соединены первыми выводами в общую точку, которая подключена к инвертирующему входу аналогового компаратора, при этом вторые выводы второго и третьего резисторов подключены к дискретным выходам микроконтроллера, а на второй вывод четвертого резистора подается преобразуемое напряжение (AVR401: 8-битный прецизионный аналого-цифровой преобразователь http://www.electroclub.fatal.rn/RusAVR/Doc/Examples/AVR401/AVR401.htm).

Недостатком описанного устройства является низкое быстродействие, обусловленное необходимостью проведения вычислений для нахождения выходного кода и возрастающим временем преобразования сигнала при увеличении преобразуемого напряжения.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению по технической сущности к достигаемому результату (прототипом) является аналого-цифровой преобразователь с расширенным динамическим диапазоном, содержащий масштабирующее устройство, выполненное с фиксированным набором коэффициентов передачи, на один из входов которого подается преобразуемое напряжение, а выход подключен к входу аналого-цифрового преобразователя с фиксированным диапазоном. При этом масштабирующее устройство выполнено в виде усилителя, коэффициенты передачи которого, не зависящие от уровня преобразуемого напряжения, задаются программатором посредством внешних цепей цифрового интерфейса (http://www.alldatasheet.com/datasheet-pdf/pdf/82672/BURR-BROWN/ADS1256.html).

Недостатком описанного аналого-цифрового преобразователя с расширенным динамическим диапазоном является невозможность оперативного изменения коэффициентов передачи масштабирующего устройства в зависимости от уровня преобразуемого напряжения и отсутствие учета коэффициента передачи масштабирующего устройства в выходном коде.

Предлагаемым изобретением решается задача установки в реальном масштабе времени коэффициентов передачи масштабирующего устройства аналого-цифрового преобразователя с расширенным динамическим диапазоном в зависимости от уровня преобразуемого напряжения и формирования выходного кода, соответствующего установленному коэффициенту передачи.

Для достижения указанного технического результата аналого-цифровой преобразователь с расширенным динамическим диапазоном, содержащий масштабирующее устройство, выполненное с фиксированным набором коэффициентов передачи, на один из входов которого подается преобразуемое напряжение, а выход подключен к входу аналого-цифрового преобразователя с фиксированным диапазоном, снабжен устройством выбора поддиапазонов, число компараторов которого выбирается на единицу меньше числа поддиапазонов, соединенным с преобразователем кода, при этом в устройстве выбора поддиапазонов на первый вход каждого компаратора подается преобразуемое напряжение, на второй вход - опорное напряжение, соответствующее поддиапазону, а выход подключен соответственно к одному из группы входов масштабирующего устройства и одному из входов первой группы преобразователя кода, ко второй группе входов которого подключены выходы разрядов аналого-цифрового преобразователя с фиксированным диапазоном.

Автоматический выбор коэффициента передачи для преобразования быстро меняющихся величин в широком динамическом диапазоне за одно преобразование и приведение выходного кода в соответствие с выбранным коэффициентом передачи масштабирующего устройства достигается наличием устройства выбора поддиапазонов, число компараторов которого выбирается на единицу меньше числа поддиапазонов, соединенного с преобразователем кода, при этом в устройстве выбора поддиапазонов на первый вход каждого компаратора подается преобразуемое напряжение, на второй вход - опорное напряжение, соответствующее поддиапазону, а выход подключен соответственно к одному из группы входов масштабирующего устройства и одному из входов первой группы преобразователя кода, ко второй группе входов которого подключены выходы разрядов аналого-цифрового преобразователя с фиксированным диапазоном.

Предлагаемое изобретение поясняется чертежом, где на фиг.1 показана структурная схема АЦП с расширенным динамическим диапазоном; на фиг.2 - схема реализации масштабирующего устройства. Кроме того, на фиг.1 и 2 использованы следующие обозначения:

U_вх - преобразуемое напряжение;

K₁ K_n-1 - коэффициенты передачи масштабирующего устройства для соответствующих поддиапазонов;

Е_{1 оп} Е_{n-1 оп} - опорные напряжения, соответствующие поддиапазонам;

R_d0, R₁, R₂, R_d1 R_{d n-1} - резисторы;

D₁ - операционный усилитель;

VT₁ VT_n-1 - полевые транзисторы.

АЦП с расширенным динамическим диапазоном (фиг.1) содержит масштабирующее устройство 1, выполненное с фиксированным набором коэффициентов передачи, на один из входов которого подается преобразуемое напряжение U_вх, а выход подключен к входу АЦП 2 с фиксированным диапазоном. АЦП с расширенным динамическим диапазоном снабжен устройством 3 выбора поддиапазонов, число компараторов 4 которого выбирается на единицу меньше числа (n) поддиапазонов, соединенным с преобразователем кода 5. При этом в устройстве 3 выбора поддиапазонов на первый вход каждого компаратора 4 подается преобразуемое напряжение U_вх, на второй вход - опорное напряжение Е_{i оп}, где i равен от 1 до n-1, а выход подключен соответственно к одному из группы входов масштабирующего устройства 1 и одному из входов первой группы преобразователя кода 5, ко второй группе входов которого подключены выходы разрядов АЦП 2 с фиксированным диапазоном. Масштабирующее устройство 1, выполненное с фиксированным набором коэффициентов передачи, содержит (фиг.2) резисторы R _d0, R₁, R₂, R_d1 R_dn-1, операционный усилитель D ₁, полевые транзисторы VT₁ VT_n-1. Операционный усилитель D₁ , включенный по схеме неинвертирующего усилителя с коэффициентом передачи, равным отношению сопротивлений резисторов (R₂ +R₁)/R₁, где резистор R₂ включен между инвертирующим входом и выходом D₁, a R₁ - между инвертирующим входом и общим проводом (корпусом устройства). Выход операционного усилителя D₁ является выходом масштабирующего устройства 1. Неинвертирующий вход операционного усилителя D₁ соединен с источником преобразуемого напряжения (входом устройства) через добавочный резистор R _d0. К этому же входу D₁ через резисторы R _d1 R_dn-1 подключены стоки полевых транзисторов VT₁ VT_n-1, истоки которых соединены с общим проводом. Транзисторы VT₁ VT_n-1 выполняют функцию электронных ключей, а резисторы R_d1 R_dn-1 совместно с резистором R_do образуют делитель напряжения, задающий уровень входного напряжения, поступающего на неинвертирующий вход операционного усилителя D₁.

АЦП с расширенным динамическим диапазоном работает следующим образом.

На вход масштабирующего устройства 1 и на первый вход каждого компаратора 4 в устройстве 3 выбора поддиапазонов подается преобразуемое напряжение U_вх, уровень которого соответствует первому поддиапазону. С выхода масштабирующего устройства 1 напряжение U_{вх.фикс} подается на вход АЦП 2 с фиксированным диапазоном. Двоичный код N, пропорциональный U_{вх.фикс}=U_вх *K₁, где K₁ - коэффициент передачи масштабирующего устройства 1 для первого поддиапазона, формируется на выходе разрядов АЦП 2 с фиксированным диапазоном и подается на соответствующий вход второй группы преобразователя кода 5. После того как величина преобразуемого напряжения U_вх сравняется с опорным напряжением E₁ компаратора 4 первого поддиапазона, на первом выходе устройства 3 выбора поддиапазонов формируется сигнал управления, а масштабирующее устройство 1 переходит на второй поддиапазон. В этом случае двоичный код N пропорционален U_{вх.фикс}=U_вх*K₂, где K₂ - коэффициент передачи масштабирующего устройства 1 для второго поддиапазона. По мере возрастания преобразуемого напряжения U _вх на выходе устройства 3 выбора поддиапазонов формируется код соответствующего i-го поддиапазона, а масштабирующее устройство 1 переходит на соответствующий коду поддиапазона коэффициент передачи. Двоичный код N на выходе АЦП 2 с фиксированным диапазоном в этом случае пропорционален U_{вх.фикс}=U_вх *K_i, где i - номер поддиапазона, равный от 1 до n.

Соответствие выходного кода АЦП с расширенным динамическим диапазоном входному напряжению U_вх обеспечивает преобразователь кода 5, преобразуя выходной код АЦП 2 с фиксированным диапазоном и код масштабирующего устройства 1 в код, пропорциональный входному напряжению U_вх с неизменным коэффициентом пропорциональности. В качестве преобразователя кода 5 может быть использовано программируемое постоянное запоминающее устройство, в котором выходной код АЦП 2 с фиксированным диапазоном и коэффициент преобразования масштабирующего устройства 1 задают адрес ячеек, хранящих выходной код. Если коэффициенты масштабирования будут кратны 2ⁿ, то преобразователь кода может быть выполнен по схеме с жесткой логикой. Вследствие того что поддиапазон измерения задается с помощью компараторов 4 устройства 3 выбора поддиапазонов, то переключение поддиапазона происходит практически мгновенно за исключением времени задержки переключения компараторов, что обусловливает быстродействие АЦП с расширенным динамическим диапазоном. Например, в случае, когда с помощью АЦП с расширенным динамическим диапазоном необходимо преобразовать в цифровой код аналоговую величину X, в частности напряжение, изменяющуюся в зависимости от дополнительных условий в интервалах от 0 до 100 В, до 1 В или до 0.01 В, а АЦП с фиксированным динамическим диапазоном преобразует напряжение U_{вх. фикс} в диапазоне от 0 до 1 В, тогда для преобразования в код аналоговой величины Х с применением АЦП с расширенным динамическим диапазоном коэффициенты масштабирующего устройства задаются равными соответственно 0.01, 1 и 100, а опорные напряжения двух компараторов - 0,01 и 1 В соответственно. Схема реализации (фиг.2) масштабирующего устройства 1 работает следующим образом. Предположим, на вход устройства 1 подается напряжение, уровень которого соответствует уровню напряжения из первого поддиапазона. Тогда на выходе получим напряжение, равное U_вых=U_вх*K_у , где K_у=(R₁+R₂)/R₁ . Когда уровень напряжения сравняется с опорным напряжением E _1оп первого компаратора, включается ключ VT₁ . Тогда уровень напряжения на выходе D₁ будет равен U_вых=U_вх*K_y*R_d1/(R ₀+R_d1) и происходит переключение устройства на работу во втором поддиапазоне. По мере возрастания входного напряжения до опорного напряжения последнего компаратора E _n-1оп происходит последовательное включение ключей VT ₁, , VT_n-1. Уровень сигнала на выходе масштабирующего устройства для k-го поддиапазона будет равен:

U_вых=U_вх*K_y*R_d/(R _d0+R_d),

где , к=1 n-1

Таким образом, использование предлагаемого изобретения позволяет осуществлять установки в реальном масштабе времени коэффициентов передачи масштабирующего устройства аналого-цифрового преобразователя с расширенным динамическим диапазоном в зависимости от уровня преобразуемого напряжения и формирования выходного кода, соответствующего установленному коэффициенту передачи.