RU2731168C1

RU2731168C1 - Precision analogue-to-digital converter with intermediate conversion into frequency and method of converting voltage into digital code with intermediate conversion to frequency

Info

Publication number: RU2731168C1
Application number: RU2019123379A
Authority: RU
Inventors: Валерий Витальевич Добрынин
Original assignee: Акционерное общество "Арзамасский приборостроительный завод имени П.И. Пландина" - АО "АПЗ"
Priority date: 2019-07-25
Filing date: 2019-07-25
Publication date: 2020-08-31

Abstract

FIELD: measurement.

SUBSTANCE: group of inventions relates to the field of measurement equipment and can be used in instrument engineering for conversion of voltage into a digital code. Device comprises voltage-to-frequency converter including integrator consisting of input resistor Ri, operational amplifier and capacitor in feedback, two threshold devices, two synchronous pulse shaper and two integrator reset circuits - positive and negative polarity, consisting of resistors Rt, Rb and keys, reversible pulse counter, auxiliary analogue-to-digital converter, computing device, measurement circuit of arrival time of count pulses.

EFFECT: technical result is higher resolution of device.

2 cl, 5 dwg

Description

Изобретение относится к области измерительной технике, в частности к устройствам преобразования аналогового напряжения в цифровой код. Изобретение может быть использовано в приборостроении.The invention relates to the field of measuring technology, in particular to devices for converting analog voltage into a digital code. The invention can be used in instrumentation.

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.Known precision integrating voltage-to-frequency converter [1], consisting of an integrator, two threshold devices, a synchronous pulse shaper, two integrator discharge circuits - positive and negative polarity and a reversible pulse counter. In this converter, the input voltage is continuously integrated. Two voltage comparators are connected to the integrator output. When the output voltage of the integrator exceeds the level of + 3V, a signal appears at the output of the voltage comparator, which triggers the formation of the output frequency pulse and the reset pulse of the integrator. Similarly, when the integrator output voltage drops to a level below minus 3V, a second frequency pulse and an integrator reset pulse are formed.

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.During the action of the reset pulse, a highly stable current of polarity opposite to the polarity of the input signal is applied to the input of the integrator. The integrator reset current is derived from the reference voltage divided by the resistor resistance.

Длительность импульсов сброса интегратора формируется из опорной тактовой частоты высокой стабильности. Целью этого решения является повышение точности.The integrator reset pulse width is derived from the high stability reference clock. The goal of this solution is to improve accuracy.

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.12 - bit reverse counter provides counting of frequency pulses taking into account the sign of the input voltage. The counter output code is read from an external clock signal derived from the same reference clock and the counter is reset to zero.

Таким образом, масштабный коэффициент определяется опорными напряжениями и отношением сопротивлений резистора на входе интегратора к сопротивлению резисторов в цепи сброса интегратора.Thus, the scale factor is determined by the reference voltages and the ratio of the resistor at the input of the integrator to the resistance of the resistors in the reset circuit of the integrator.

На основе данного технического решения серийно выпускается микросхема 1316ПП1У.On the basis of this technical solution, the 1316PP1U microcircuit is serially produced.

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.The disadvantage of this technical solution is the low resolution. For example, at a maximum output frequency of 80 kHz, no more than 80 counting pulses can accumulate in 1 ms, therefore, the rounding error will be more than a percent.

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].The second drawback is the non-linear characteristic in the zero-crossing region. This is due to the presence of a dead zone. The reasons and features of this phenomenon can be seen from Fig. 3. "Diagram of signals in the VLF integrator" source [1].

Наиболее близким к предлагаемому решению является: микросхема прецизионного преобразования напряжения в частоту 5400ТР015 001, разработки Дизайн Центр Союз [2].The closest to the proposed solution is: microcircuit for precision voltage-to-frequency conversion 5400TR015 001, developed by Design Center Soyuz [2].

Данный преобразователь содержи все составные части преобразователя [1] и в него дополнительно введен УВХ и АЦП.This converter contains all the constituent parts of the converter [1] and is additionally equipped with UVC and ADC.

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.The output voltage of the integrator is fed to the input of the UVC ADC with a single conversion mode. When the cutoff of the readout pulse is applied, the instantaneous value of the output voltage of the integrator is written into the UVC and the ADC converts it into a digital code.

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.The introduction of an auxiliary ADC connected to the output of the integrator makes it possible to implement an electronic vernier. An increase in the resolution of more than one counting pulse can be achieved by using the voltage difference at the beginning and end of the measurement time interval.

Вторым преимуществом данного технического решения является устранение мертвой зоны вблизи нулевого напряжения.The second advantage of this technical solution is the elimination of the dead zone near zero voltage.

Данное техническое решение имеет следующий недостаток:This technical solution has the following disadvantage:

Интегратор сбрасывается не мгновенно, а за некоторое время и вероятность попадания импульса считывания на это время велика. В таком случае будет получена недостоверная информация.The integrator is not reset instantly, but after some time and the probability of hitting the readout pulse at this time is high. In this case, false information will be received.

Сущность изобретения поясняется рисунками:The essence of the invention is illustrated by drawings:

На рисунке 1 изображена функциональная схема устройства.Figure 1 shows the functional diagram of the device.

1 - преобразователь напряжения в частоту - ПНЧ;1 - voltage-to-frequency converter - PNCh;

2 - интегратор, состоящий из входного резистора Ri, операционного усилителя и конденсатора в обратной связи;2 - integrator, consisting of an input resistor Ri, an operational amplifier and a feedback capacitor;

3, 4 - пороговые устройства;3, 4 - threshold devices;

5, 6 - синхронные формирователи импульсов;5, 6 - synchronous pulse shapers;

7, 8 - цепи сброса интегратора - положительной и отрицательной полярности, состоящие из резисторов Rt, Rb и ключей;7, 8 - integrator reset circuits - positive and negative polarity, consisting of resistors Rt, Rb and keys;

9 - реверсивный счетчик импульсов;9 - reversible pulse counter;

10 - вспомогательный аналогово-цифровой преобразователь;10 - auxiliary analog-to-digital converter;

11 - вычислительное устройство;11 - computing device;

12 - схема измерения времени прихода счетных импульсов.12 is a diagram for measuring the arrival time of counting pulses.

На рисунке 2 изображены осциллограммы напряжения на выходе интегратора ПНЧ, когда импульс считывания не попадает на время сброса интегратора.Figure 2 shows the oscillograms of the voltage at the output of the VFC integrator when the read pulse does not fall within the time of the integrator reset.

13 - импульс считывания «Sample»;13 - "Sample" readout pulse;

14 - счетные импульсы «F»;14 - counting pulses "F";

15 - осциллограмма напряжения на выходе интегратора при постоянном входном напряжении положительной полярности.15 - oscillogram of the voltage at the output of the integrator at a constant input voltage of positive polarity.

Т - период опроса счетчика импульсов;T is the polling period of the pulse counter;

Δti, Δti1 - время прихода последнего сосчитанного импульса относительно импульса считывания в текущем и в предыдущем тактах;Δti, Δti1 - arrival time of the last counted pulse relative to the readout pulse in the current and in the previous clock cycles;

Ui, Ui1 - напряжение на выходе интегратора во время импульса считывания;Ui, Ui1 - voltage at the integrator output during the readout pulse;

Uth - напряжение срабатывания пороговых устройств;Uth is the trigger voltage of the threshold devices;

Uh - напряжение, на которое сбрасывается интегратор за время действия одного импульса сброса.Uh is the voltage to which the integrator is reset during the duration of one reset pulse.

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 считыванияFigure 3 shows the oscillograms of the voltage at the output of the VFC integrator, when the read pulse falls within the integrator reset time and the counting pulse is counted before the read pulse arrives.

14 - счетные импульсы «F»;14 - counting pulses "F";

15 - осциллограмма напряжения на выходе интегратора при постоянном входном напряжении положительной полярности;15 - oscillogram of the voltage at the output of the integrator at a constant input voltage of positive polarity;

16 - момент времени, когда счетный импульс изменяет состояние счетчика;16 - the moment in time when the counting pulse changes the state of the counter;

Uh - напряжение, на которое сбрасывается интегратор за время действия одного импульса сброса;Uh is the voltage to which the integrator is reset during the duration of one reset pulse;

Ua - напряжение, которое было бы на выходе интегратора в момент считывания, если бы сброс интегратора происходил бы мгновенно;Ua is the voltage that would be at the output of the integrator at the moment of reading if the integrator would be reset instantly;

Δt - время прихода счетного импульса относительно импульса считывания.Δt is the arrival time of the counting pulse relative to the readout pulse.

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.Figure 4 shows the oscillograms of the voltage at the output of the VFC integrator, when the readout pulse falls within the integrator reset time and the counting pulse was not counted before the readout pulse arrived.

14 - счетные импульсы «F»;14 - counting pulses "F";

16 - момент времени, когда счетный импульс изменяет состояние счетчика.16 - the moment in time when the counting pulse changes the state of the counter.

Ua1 - напряжение, которое было бы на выходе интегратора, если бы сброс интегратора происходил бы после импульса считывания.Ua1 is the voltage that would be at the output of the integrator if the integrator were reset after the read pulse.

На рисунке 5 изображено сравнение измеренного напряжения без учета увеличения разрешающей способности и с учетом.Figure 5 shows a comparison of the measured voltage without considering the increase in resolution and with.

Задачей изобретения является увеличение разрешающую способность аналогово-цифрового преобразователя и устранение неоднозначности в случае попадания импульса считывания на время сброса интегратора.The objective of the invention is to increase the resolution of the analog-to-digital converter and eliminate ambiguity in the event of a read pulse hitting the integrator reset time.

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.This technical result is achieved by the fact that a precision analog-to-digital converter with intermediate conversion to frequency, containing an integrator, two threshold devices connected to the integrator output, two synchronous integrator reset pulse shapers connected to the outputs of the threshold devices, two integrator reset circuits - positive and negative polarity connected to the outputs of the synchronous reset pulse shapers of the integrator, a reversible pulse counter connected to the synchronous reset pulse shapers of the integrator, an auxiliary analog-to-digital converter connected to the integrator output, a computing device connected to the reversible pulse counter and an auxiliary analog-to-digital converter, contains a circuit for measuring the time of arrival of the integrator reset pulses, connected to the synchronous shapers of the integrator reset pulses, the output of which is connected to the computing device.

Схема измерения времени прихода импульсов измеряет время прихода импульсов сброса относительно импульса считывания в тактах опорной тактовой частоты.The pulse arrival time measurement circuit measures the arrival time of the reset pulses relative to the read pulse in clock cycles.

Предлагаемое устройство осуществляет предлагаемый способ.The proposed device implements the proposed method.

Для применяемого в данном техническом решение ПНЧ предъявляются следующие существенные требования.For the VFC used in this technical solution, the following essential requirements are imposed.

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.The input voltage is continuously integrated. This makes it possible to obtain information about the input voltage by changing the voltage at the output of the integrator with a resolution greater than the reset voltage of the integrator in one pulse.

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.Two threshold devices (3) and (4) are connected to the integrator's output, comparing voltages with reference levels. When the output voltage of the integrator exceeds the level Uh +, a signal appears at the output of the threshold device (3) that allows the formation of the output frequency pulse and the reset pulse of the integrator. Similarly, when the integrator output voltage drops to a level below Uh, the threshold device (4) allows the formation of the second frequency pulse and the integrator reset pulse. The presence of these threshold devices determines the voltage at the integrator output at the moment the integrator reset process begins.

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.The integrator reset pulse generators (5) and (6), connected to the outputs of the threshold devices (3) and (4), form the beginning of the pulses synchronously with the clock frequency. The pulse duration is an integer number of clock pulses. In the prototype [1], the purpose of synchronizing the beginning and end of the reset pulses of the integrator with a clock frequency is to obtain an accurate duration and ensure high conversion accuracy. The proposed method uses an unexpected technical result - it becomes possible to measure the time of arrival of pulses in periods of clock frequency.

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.During the action of the reset pulse, a highly stable current of polarity opposite to the polarity of the input signal is supplied to the integrator input through circuits (7) and (8). The integrator reset current is derived from the reference voltage divided by the resistor resistance. Thus, it becomes known the voltage Uh, to which the integrator is reset during the duration of one reset pulse.

Количество импульсов сброса как положительной, так и отрицательной полярности является выходом ПНЧ (1). Это количество подсчитывается реверсивным счетчиком (9).The number of reset pulses of both positive and negative polarity is the output of the VFC (1). This amount is counted by a reversible counter (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.It is not essential whether the counting of the reset pulses of the integrator or the so-called. counting pulses, the number of which coincides with the number of reset pulses of the integrator, and the duration of which may differ, but the start time is uniquely related to them. For example, in the case of the 1316PP1U microcircuit, the duration of the counting pulses is less than the time for zeroing the integrator. The main thing is that it is unambiguously known in which clock cycle after the start of the pulse the counter state changes. In the case of the 1316PP1U microcircuit, the counter state changes along the trailing edge of the counting pulses.

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.The counter output code is read by the external "Sample" pulse (13) and the counter is reset to zero. To be able to obtain an unambiguous result, the read pulse is obtained from the same reference clock frequency as the reset pulses of the integrator.

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).The output voltage of the VFC integrator is fed to the input of the auxiliary ADC (10). This technical solution will improve the resolution. If during the period between two readout pulses there was not a single counting pulse, but the voltage at the integrator's output changed, then by the change in the voltage at the integrator's output, one can judge the value of the input voltage. Also, with a small number of counting pulses, the resolution can be increased by introducing a correction for the fraction of counting pulses (vernier).

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.In this case, there is a possibility that the moment of reading the output voltage of the integrator falls on the time of the reset of the integrator. Then the auxiliary ADC will measure not the result of integrating the input voltage, but a random intermediate result during the reset of the integrator. In this case, it is possible to obtain an ambiguous result.

В предлагаемом АЦП для решения этой проблемы используется схема измерения времени прихода счетных импульсов (12).To solve this problem, the proposed ADC uses a circuit for measuring the arrival time of counting pulses (12).

Измерение времени прихода импульсов позволяет:Measurement of the pulse arrival time allows:

1) определить попадает ли момент считывания на время сброса интегратора;1) determine whether the moment of reading falls within the time of the reset of the integrator;

2) определить был ли этот импульс сосчитан в данный период времени или нет;2) determine whether this impulse was counted in a given period of time or not;

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).3) In case of hitting the moment of reading at the time of reset of the integrator, make a correction for the fraction of counting pulses (vernier), based on the time of arrival of the pulses. A code from a reversing counter (9), an auxiliary analog-to-digital converter (10) and a circuit for measuring the time of arrival of counting pulses (12) is fed to the input of this computing device.

В составе предлагаемого преобразователя введено вычислительное устройство, которое позволяет реализовать предлагаемый способ.The proposed converter includes a computing device that allows you to implement the proposed method.

Рассмотрим возможные способы получения информации о входном напряжении в АЦП с промежуточным преобразованием в частоту.Let's consider the possible ways to obtain information about the input voltage in the ADC with intermediate conversion to frequency.

Традиционно входное напряжение определяют на основе частоты следования импульсов F, которую определяют по формуле:Traditionally, the input voltage is determined based on the pulse repetition rate F, which is determined by the formula:

где Qn - количество счетных импульсов за время Т.where Qn is the number of counting pulses during T.

Недостатком этого решения является большая дискретность определения частоты, вызванная небольшим числом счетных импульсов.The disadvantage of this solution is the large discreteness of the frequency determination caused by the small number of counting pulses.

Возможным решением является учет разности напряжения на выходе интегратора в начале и в конце периода опроса.A possible solution is to take into account the voltage difference at the integrator output at the beginning and at the end of the polling period.

Недостатком данного технического решения является то, что в случае попадания импульса считывания на время сброса интегратора будет получена недостоверная информация.The disadvantage of this technical solution is that if the readout pulse hits the time of the integrator reset, unreliable information will be obtained.

Также возможным вариант с использованием измеренного времени прихода импульсов.It is also possible to use the measured pulse arrival time.

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.This solution removes the limitation on the low discreteness of the output information. However, it is realizable only for a sufficiently large input signal, when there is at least one counting pulse in each time interval.

В предлагаемом способе величина входного напряжения определяется следующим образом:In the proposed method, the value of the input voltage is determined as follows:

Рассмотрим рис. 2.Consider fig. 2.

Одновременно со считыванием числа счетных импульсов Qn измеряем напряжение на выходе интегратора во время импульса считывания Ui.Simultaneously with reading the number of counting pulses Qn, we measure the voltage at the output of the integrator during the reading pulse Ui.

Сохраняем Ui-1 напряжение, измеренное на предыдущем такте.Save the Ui-1 voltage measured in the previous clock cycle.

Измеряем время прихода последнего счетного импульса относительно импульса считывания Δti.We measure the arrival time of the last counting pulse relative to the reading pulse Δti.

Так, как время прихода импульса считывания «Sample» известно, то эквивалентным решением является измерение времени прихода счетного импульса.Since the time of arrival of the sample pulse is known, the equivalent solution is to measure the arrival time of the counter pulse.

По величине времени Δti определяем, попадает ли импульс считывания на время сброса интегратора.By the value of time Δti, we determine whether the readout pulse falls within the time of the integrator reset.

Если не попадает, то определяем входное напряжение на основании частоты F, полученной по формуле (2). Тем самым вводится поправка, увеличивающая разрешающую способность АЦП - нониус.If not, then we determine the input voltage based on the frequency F, obtained by the formula (2). Thus, a correction is introduced that increases the resolution of the ADC - vernier.

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).If the readout pulse falls on the time of the integrator reset, then by the time Δti we determine whether the last pulse was counted in the reversing counter. For this we compare - the moment in time when the counting pulse changes the state of the counter (16) with the moment of arrival of the readout pulse (13).

Если счетный импульс был сосчитан, то рассмотрим рис. 3.If the counting impulse has been counted, then consider Fig. 3.

Для того чтобы результат, полученный по формуле (2) был корректен, вместо показаний вспомогательного АЦП подставляем значение Ua, полученное по формуле (4)In order for the result obtained by formula (2) to be correct, instead of the readings of the auxiliary ADC, we substitute the value Ua obtained by formula (4)

Где Ua - напряжение, которое было бы на выходе интегратора в момент считывания, если бы сброс интегратора происходил бы мгновенно.Where Ua is the voltage that would be at the output of the integrator at the moment of reading if the integrator would be reset instantly.

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).While the integrator reset pulse is active, the integration of the input voltage continues. This explains the appearance in formula (4) of a correction to the voltage (Uh * Qn * Δt / T).

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).In this method, the specific type of correction to the voltage (Uh * Qn * Δt / T) is not an essential feature. Interpolation between two adjacent pulses is possible, where instead of the time T, the measured period of the counting pulses T1 is taken and the correction will take the form: (Uh * Δt / T1).

Существенным признаком является то, что эта поправка вычисляется на основании измеренного времени прихода импульса.It is essential that this correction is calculated based on the measured pulse arrival time.

Если счетный импульс не сосчитан, то рассмотрим рис 4.If the counting impulse is not counted, then consider Fig. 4.

Для того чтобы результат, полученный по формуле (2), был корректен, вместо показаний вспомогательного АЦП подставляем значение Ua1, полученное по формуле (5)In order for the result obtained by formula (2) to be correct, instead of the readings of the auxiliary ADC, we substitute the value Ua1 obtained by formula (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.Figures 2, 3 and 4 show the oscillograms of the integrator output at a positive input voltage. If the input voltage is negative, then all oscillograms will behave similarly, except that the slope of the graphs will change to the opposite.

Также вместо напряжения срабатывания порогового устройства по отрицательному напряжению, обозначенного на рис 1 цифрой 4 Uth- будет фигурировать порог по положительному напряжению Uth+Also, instead of the triggering voltage of the threshold device for negative voltage, indicated in Fig. 1 by the number 4 Uth-, the threshold for positive voltage Uth + will appear

Формула (4) примет вид (4')Formula (4) takes the form (4 ')

Формула (5) примет вид (5')Formula (5) takes the form (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.At a low value of the measured voltage, the occurrence of a read pulse during the reset of the integrator will rarely occur. And then, in most cases, the vernier correction will be determined based on the difference in the readings of the auxiliary ADC.

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.With a high value of the input voltage, readout pulses will almost always fall on the reset of the integrator. In this case, the result will not depend on the reading of the auxiliary ADC and will be completely based on the measured pulse arrival times.

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.Device calibration is easy to automate. During the calibration, a constant voltage must be applied to the input of the device and the constants Uth + Uth- and Uh must be determined by the criterion of the minimum square deviation.

Предлагаемое устройство было реализовано с использованием микросхемы 1316ПП1У и микроконтроллера 1986ВЕ9х.The proposed device was implemented using a 1316PP1U microcircuit and a 1986BE9x microcontroller.

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.The ADC included in the microcontroller was used as an auxiliary analog-to-digital converter, and the timers included in the microcontroller were used as a circuit for measuring the time of arrival of the integrator reset pulses.

Предлагаемый способ автором был реализован в виде программы для микроконтроллера.The proposed method was implemented by the author as a program for a microcontroller.

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.The results of the proposed solution are shown in Figure 5. A sinusoidal voltage with an amplitude of 0.5 V and a frequency of 1.3 Hz was applied to the input of the device. Within a second, 1000 measurements were made with a duration of 1 millisecond each. The graph shows the measured voltage in gray without taking into account the increase in resolution, and in dark with it. Comparison of the graphs shows that the resolution has increased significantly.

Источники информацииSources of information

[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[1] PROBLEMS OF DEVELOPMENT OF PERSPECTIVE MICRO - AND NANOELECTRONIC SYSTEMS (MES) Publisher: Institute for Design Problems in Microelectronics RAS (Zelenograd) ISSN: 2078-7707 Issue: 1 Year: 2010 Pages: 521-526 UDC: 621.382 Yu.V. Agrich, V.B. Lifshitz Development of a precision voltage-to-frequency converter

[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[2] Information sheet Microcircuit for precision voltage-to-frequency conversion 5400TP015 001 Developments Design Center Union http://www.dcsoyuz.com/files/content/bmk/specinkacija_5400tr014_ver1.2.pdf

Claims

1. Прецизионный аналогово-цифровой преобразователь с промежуточным преобразованием в частоту, содержащий интегратор, два пороговых устройства, подключенных к выходу интегратора, два синхронных 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, отличающийся тем, что содержит схему измерения времени прихода импульсов сброса интегратора, подключенную к синхронным формирователям импульсов сброса интегратора, выход которой подключен к вычислительному устройству.1. Precision analog-to-digital converter with intermediate conversion to frequency, containing an integrator, two threshold devices connected to the integrator output, two synchronous integrator reset pulse shapers connected to the outputs of the threshold devices, two integrator reset circuits - positive and negative polarity connected to outputs of the synchronous pulse shapers of the integrator reset, a reversible pulse counter connected to the synchronous reset pulse shapers of the integrator, an auxiliary analog-to-digital converter connected to the output of the integrator, a computing device connected to the reversible pulse counter and an auxiliary analog-to-digital converter, characterized in that it contains a circuit for measuring the time of arrival of the integrator reset pulses, connected to the synchronous shapers of the integrator reset pulses, the output of which is connected to the computing device.

2. Способ преобразования напряжения в цифровой код с промежуточным преобразованием в частоту, заключающийся в интегрировании входного напряжения, сравнении результатов интегрирования с пороговыми напряжениями, формировании импульсов сброса интегратора синхронно с тактовой частотой длительностью в целое число тактовых импульсов, подачи на вход интегратора импульсов сброса интегратора полярности, противоположной входному сигналу, подсчете числа импульсов сброса интегратора, формировании импульса считывания числа импульсов из счетчика импульсов из той же тактовой частоты, из которой формируются импульсы сброса интегратора, измерении напряжения на выходе интегратора в моменты времени считывания числа импульсов из счетчика импульсов, отличающийся тем, что измеряется время прихода импульсов сброса интегратора, входное напряжение определяется на основании числа импульсов сброса интегратора за интервал измерения, двух напряжений на выходе интегратора в моменты времени считывания числа импульсов из счетчика импульсов в начале и в конце интервала измерения и двух времен прихода счетных импульсов в начале и в конце интервала измерения.2. A method of converting voltage into a digital code with an intermediate conversion into frequency, which consists in integrating the input voltage, comparing the results of integration with threshold voltages, generating the integrator reset pulses synchronously with the clock frequency with a duration of an integer number of clock pulses, sending the polarity integrator reset pulses to the integrator input , opposite to the input signal, counting the number of reset pulses of the integrator, generating a pulse for reading the number of pulses from the pulse counter from the same clock frequency from which the reset pulses of the integrator are formed, measuring the voltage at the integrator output at the times of reading the number of pulses from the pulse counter, characterized in that, that the time of arrival of the reset pulses of the integrator is measured, the input voltage is determined based on the number of reset pulses of the integrator during the measurement interval, two voltages at the output of the integrator at the times of reading the number of pulses c from the pulse counter at the beginning and at the end of the measurement interval and two times of arrival of the counting pulses at the beginning and at the end of the measurement interval.