СПОСОБ ИНТЕГРИРУЮЩЕГО АНАЛОГО-ЦИФРОВОГО ПРЕОБРАЗОВАНИЯ

Изобретение относится к области вычислительной техники и может использоваться в системах управления технологическими процессами, например, в автоматизированном электроприводе.

Известны числоимпульсные аналого-цифровые преобразователи (АЦП) (Волович Г.И. Схемотехника аналоговых и аналогово-цифровых электронных устройств / Г.И. Волович. - М.: Издательский дом «Додэка-ХХ1», 2005. - С.431-483), основанные на способе, когда за фиксированный и заранее заданный интервал времени подсчитывается количество импульсов, частота которых пропорционально преобразуемой аналоговой величине. В итоге формируется код, пропорциональный преобразуемому сигналу.

К числу недостатков известного способа АЦП относится:

- разомкнутый характер структуры АЦП, что предъявляет жесткие требования к метрологическим показателям входящих в его состав элементов;

- зависящая от входного сигнала погрешность дискретизации, которая увеличивается по мере уменьшения амплитуды входного воздействия;

- нереверсивный характер характеристики «вход-выход», т.е. способность АЦП работать только с сигналом одной полярности.

Таким образом, известный способ АЦП имеет относительно невысокую точность работы и ограниченную область применения.

Известен способ интегрирующего преобразования аналогового сигнала в импульсы с широтно-импульсной модуляцией (Цытович Л.И., Дудкин М.М. Анализ динамических характеристик интегрирующих фазосдвигающих устройств // Труды международной тринадцатой научно-технической конференции «Электроприводы переменного тока». - Екатеринбург: УПИ, 2005. - С.95-98).

Способ основан на том, что формируется ведущая, например, пилообразная развертка, которая не зависит от входного сигнала. Одновременно с ведущей разверткой формируется ведомая развертка, которая является результатом поочередного интегрирования суммы и разности входного и опорного сигналов. В моменты времени равенства ведущей и ведомой разверток происходит изменение знака (уровня) широтно-импульсного сигнала.

Недостатком данного способа преобразования входного сигнала в широтно-импульсный является достаточно высокая его инерционность.

Наиболее близким к предлагаемому способу АЦП является патент RU №2496228, опубл. 20.10.2013, Бюл. №29, H03M 1/52, Заявка: 2012128310/08, 02.07.2012.

Работа устройства основана на способе, когда на заранее заданном интервале дискретизации производится деление этого интервала дискретизации в целое n-число раз и формированием на каждом из полученных таким образом интервалах времени ведущей, например, пилообразной развертывающей функции и ведомой развертывающей функции, получаемой за счет периодического интегрирования суммы и разности входного и опорного сигналов, с последующей фиксацией моментов времени равенства уровней ведущей и ведомой развертывающих функций путем изменения знака импульса и получения таким образом широтно-импульсного сигнала с последующим преобразованием в цифровой код на заранее заданном интервале дискретизации суммы длительностей интервалов времени, соответствующих интервалам времени интегрирования суммы и разности входного и опорного сигналов и вычислением в момент времени окончания заданного интервала дискретизации кода N_ВЫХ, пропорционального входному сигналу в соответствии с выражениями

N_ВЫХ=K(N₁-N₂)/(N₁+N₂),

где: K - коэффициент пропорциональности; N₁, N₂ - числа, соответствующие на заданном интервале дискретизации сумме интервалов времени интегрирования суммы и разности входного и опорного сигналов.

Недостатком известного способа АЦП является его относительно не высокое быстродействие.

В основу изобретения положена техническая задача повышения динамической точности способа интегрирующего аналого-цифрового преобразования.

Указанная техническая задача решается тем, что способ интегрирующего аналого-цифрового преобразования осуществляется за счет того, что на заранее заданном интервале дискретизации производится деление этого интервала дискретизации в целое n-число раз и формированием на каждом из полученных таким образом интервалах времени ведущей, например, пилообразной развертывающей функции и ведомой развертывающей функции, получаемой за счет периодического интегрирования суммы и разности входного и опорного сигналов, с последующей фиксацией моментов времени равенства уровней ведущей и ведомой развертывающих функций путем изменения знака импульса и получения таким образом широтно-импульсного сигнала с последующим преобразованием в цифровой код на заранее заданном интервале дискретизации суммы длительностей интервалов времени, соответствующих интервалам времени интегрирования суммы и разности входного и опорного сигналов и вычислением в момент времени окончания заданного интервала дискретизации кода N_ВЫХ, пропорционального входному сигналу в соответствии с выражениями

N_ВЫХ=K(N₁-N₂)/(N₁+N₂),

где: K - коэффициент пропорциональности; N₁, N₂ - числа, соответствующие на заданном интервале дискретизации сумме интервалов времени интегрирования суммы и разности входного и опорного сигналов, ОТЛИЧАЮТСЯ от известного тем, что в момент времени окончания интервала дискретизации вычисляют код N_ВЫХ, пропорциональный входному сигналу, в соответствии с выражениями

N_ВЫХ=K(N₁-N₂)/(N₁+N₂),

N=t_2n-1; Ν₂=t_2n

где Ν₁, N₂ - числа, полученные путем преобразования в код интервалов времени t_2n-1; t_2n интегрирования суммы и разности входного и опорного сигналов на последнем из серии n - интервалов времени, на которые был поделен интервал дискретизации.

Техническим результатом предлагаемого способа является его повышенная динамическая точность, что достигается путем «оцифровки» не суммы широтно-импульсных сигналов на интервале дискретизации, как это делается в прототипе, а за счет «оцифровки» последнего из серии широтно-импульсных сигналов на заданном интервале дискретизации.

Изобретение поясняется чертежами:

Фиг. 1 - временные диаграммы сигналов, поясняющие суть предлагаемого способа АЦП;

Фиг. 2 - функциональная схема устройства, реализующего предлагаемый способ АЦП;

Фиг. 3, фиг. 5 - временные диаграммы сигналов АЦП;

Фиг. 4 - логарифмические амплитудно-частотные характеристики известного и предлагаемого способов АЦП.

Суть предлагаемого способа АЦП рассмотрим на примере диаграмм сигналов на фиг. 1.

Рассмотрим простейший случай, когда АЦП работает с вентильным преобразователем (ВП), который представляет собой однофазную двухполупериодную схему управляемого выпрямителя. Предположим, что силовые тиристоры открылись при угле управления «а» (фиг. 1а). Учитывая, что тиристоры это частично управляемые полупроводниковые приборы, их обратный перевод в закрытое состояние возможно только при уменьшении прямого тока через них до нуля, что при активной нагрузке произойдет в точке «1» (фиг. 1б). Тогда в диапазоне (180-α) эл. град (фиг. 1б) производить какие-либо манипуляции с «оцифровкой» регулируемой координаты не только бесполезно, но и вредно для системы управления, так как это приводит к снижению ее помехоустойчивости за счет «проникновения» в цифровой код высокочастотных пульсаций, определяемых свойствами преобразуемого аналогового сигнала. К числу таких координат относятся, например, сигналы обратной связи по току, напряжению, а в ряде случаев и скорости исполнительного механизма (электродвигателя), а также внешние помехи, генератором которых зачастую являются непосредственно элементы электронной части системы управления, работающие в дискретном (импульсном) режиме. Следовательно, подача в систему управления нового значения цифрового кода с выхода АЦП целесообразна по истечении интервала дискретизации ВП, который в данном случае составляет 180 эл. град, или 10 мс при частоте сети 50 Гц. Этот интервал дискретизации зависит от конфигурации схемы ВП и, например, для трехфазной мостовой схемы составляет 3,3 мс.

В этих условиях последовательность действий для реализации предлагаемого способа сводятся к следующим этапам:

1. первый этап - имеется интервал дискретизации, определяемый частотой сети и конфигурацией силовой схемы ВП и ее фазностью. В данном примере (фиг. 1) этот интервал дискретизации составляет 0,5 Т_С или 10 мС (фиг. 1а, б);

2. вторым этапом является разбиение данного интервала дискретизации на n-число равных участков. Для примера на фиг. 1в, г показано три участка с равными длительностями Т₁=Т₂=(T_n=Т₃);

3. третий этап - в пределах каждого из полученных интервалов времени формируется ведущая, например, пилообразная развертывающая функция, которая задается заранее и не зависит от каких-либо факторов;

4. четвертый этап - с ведущей разверткой взаимодействует ведомая развертка (фиг. 1в), которая формируется как результат интегрирования суммы опорного и входного сигналов (фиг. 1в, г, интервал t₁), либо разности этих сигналов (фиг. 1в, г, интервал t2);

5. пятый этап - в моменты времени равенства ведущей и ведомой разверток происходит фиксация данного факта путем изменения знака выходного сигнала фиксирующего элемента АЦП (фиг. 1в, г). В результате формируется широтно-импульсный сигнал, относительная продолжительность которого определяется величиной преобразуемого входного сигнала;

6. шестой этап (в известном способе АЦП) - «оцифровке» подвергается сумма длительностей импульсов положительной полярности и сумма длительностей импульсов отрицательной полярности, затем вычисляется код, пропорциональный входному сигналу, который подается на выход в момент времени t_Ц завершения интервала дискретизации системы;

7. шестой этап (отличительная особенность предлагаемого способа) - «оцифровке» подвергается не сумма длительностей импульсов на всей протяженности интервала дискретизации, а последний из серии импульсов, после чего данные передаются в систему в момент времени t_Ц завершения интервала дискретизации системы (фиг. 1б, в). В результате, как будет показано ниже, повышается динамическая точность процесса АЦП.

Предлагаемый способ дополнительно поясняется примером его технической реализации на фиг. 2.

В состав устройства (фиг. 2) входят генератор счетных импульсов 1, двоичные суммирующие счетчики 2, 3, 4, дешифратор 5, логический элемент «nИЛИ» 6, генератор пилообразного напряжения 7, сумматор 8, интегратор 9, релейный элемент 10, компараторы 11, 12, инвертор 13, логические элементы «nИ» 14, 15, элемент задержки 16, одновибратор 17, регистры памяти 18, 19, арифметическо-логическое устройство (АЛУ) 20, вход 21 для подключения к источнику синхроимпульсов, входная 22 и выходная 23 клеммы.

Элементы АЦП имеют следующие характеристики.

Генератор 1 формирует высокочастотные счетные импульсы стабильной частоты.

Счетчики 2, 3, 4 являются суммирующими и управляются передним фронтом импульсов на С - входе. При наличии импульса на R-входе счетчики 2, 3, 4 «обнуляются».

Дешифратор 5 преобразует двоичный код в десятичное число.

Сигнал на выходе элемента 6 типа «ИЛИ» соответствует логической «1» если хотя бы одна из входных переменных равна «1».

Генератор 7 формирует пилообразное напряжение с частотой выходных импульсов блока 6.

Сумматор 8 имеет единичный коэффициент передачи по каждому из входов.

Интеграторы 9 реализует передаточную функцию вида W(p)=1/T_иp, где Т_и - постоянная времени интегрирования. Его выходной сигнал нарастает линейно при скачке входного воздействия со знаком, противоположным знаку входного сигнала.

Релейный элемент 10 при отсутствии сигнала с выхода блока 7 имеет нулевое значение порогов переключения и неинвертирующую характеристику «вход-выход». При подключении ГПН 7 ко второму входу релейного элемента 10 его пороги переключения изменяются по пилообразному закону с линейно нарастающим и дискретным фронтами.

Компаратор 11 передает на выход импульсы положительной полярности с выхода релейного элемента 10.

Компаратор 12 имеет инвертирующую характеристику «вход - выход» и формирует на выходе импульсы положительной полярности при отрицательном знаке импульса на выходе релейного элемента 10.

Инвертор 13 выполняет функции логического элемента «НЕ».

Логические элементы 14, 15 функции «3И» переходят в состояние «1» при условии равенства «1» всех входных переменных.

Элемент задержки 16 осуществляет задержку по времени передачи входного импульса на заранее заданную фиксированную величину.

Одновибратор 17 запускается передним фронтом входного импульса, и формирует на своем выходе импульс заданной длительности и фиксированной амплитуды.

АЛУ 20 реализует операцию вида N_ВЫХ=K(N₁-N₂)/(N₁+N₂) в течение времени, которое определяется длительностью импульса на его С - входе.

Принцип работы интегрирующего аналого-цифрового преобразователя следующий.

С помощью генератора 1, счетчика 2 и дешифратора 5 формируется опорная пилообразная цифровая развертка (на фиг. 3а, не показана), имеющая период, равный периоду синхроимпульсов на входе 21 (фиг. 3а). На этой развертки задаются числа таким образом, чтобы они следовали с периодом Т₀<<Т_П через равной интервал времени. В качестве примера на фиг. 3а-б приведены три значения . Появление соответствующего числа в счетчике 2 приводит к формированию на выходных шинах дешифратора 5 импульса «1», которые суммируются с синхроимпульсами на клемме 21 (фиг. 3а).

Таким образом, на выходе логического элемента 6 (фиг. 2) формируются импульсы установки нулевых начальных условий в ГПН 7 (фиг. 3б), когда «внутри» интервала Т_П (фиг. 3а) содержится целое число периодов Т₀ (фиг. 3б)

пилообразного сигнала ведущей развертки (фиг. 3в) для синхронизации развертывающего преобразователя, включающего сумматор 8, интегратор 9 и релейный элемент 10 (фиг. 2).

При входном сигнале, например, отрицательной полярности (фиг. 3в) на интервале времени t₂ сигнал ведомой развертки с выхода интегратора 9 изменяется под действием суммы сигналов на входе 22 и выходе релейного элемента 10, а в интервале t₁ - под действием разности этих сигналов. В результате t₁>t₂, и среднее значение выходных импульсов релейного элемента 10 устанавливается пропорциональным входному воздействию со знаком, противоположным знаку сигнала на входе 22.

При положительном знаке входного сигнала система работает аналогичным образом с той лишь разницей, что t₁<t₂.

В результате развертывающий преобразователь, включающий звенья 8, 9, 10 синхронизируется сигналом «пилы» с частотой , где n=1, 2, 3… целое число. Это обеспечивает снижение его эквивалентной постоянной времени в «n» - раз и повышает быстродействие работы контура преобразования аналогового сигнала в интервал времени.

Дальнейшая работа АЦП происходит следующим образом.

Входной сигнал, преобразованный на интервале времени Т_п в широтно-импульсный (фиг. 3а-в), подвергается «оцифровке» с помощью генератора 1 и счетчиков 3, 4.

Для перевода элемента 14 в открытое для счетных импульсов (фиг. 3г) состояние необходимо, чтобы на всех его входах присутствовали сигналы логической «1». При положительном знаке выходного импульса релейного элемента 10 компаратор 11 находится в состоянии «1». Инвертор 13 также в интервале паузы между синхроимпульсами формирует «1». Выход дешифратора 5, соответствующий числу (фиг. 3а, б), находится в «нуле», поэтому счет в счетчике 3 не происходит из-за закрытого состояния элемента «4И» 14 (фиг. 3д).

При появлении числа элемент 14 открывается и в счетчике 3 накапливается число N₁≡t_2n-1 (фиг. 3в-д).

После переключения релейного элемента 10 (фиг. 3в) элемент 14 закрывается и счет в счетчике 3 прекращается. В работу вступает второй канал счета, так как в состояние «1» переходит компаратор 12, имеющий инвертирующую характеристику по отношению к компаратору 11. В счетчике 4 накапливается число N₂≡t_2n (рис. 3е).

В итоге, к приходу очередного импульса синхронизации АЦП (фиг. 3а) в счетчике 3 находится число N₁, пропорциональное длительности «положительного» интервала дискретизации выходного импульса релейного элемента 10 (фиг. 3в, д), а в счетчике 4 - число N₂, соответствующее длительности «отрицательного» импульса с выхода релейного элемента 10 (фиг. 3в, е). Причем, в отличие от прототипа, числа N₁ и N₂ соответствуют последнему из серии периодов ШИМ-сигнала на интервале дискретизации Т_П (фиг. 3а, в).

После этого под действием импульса синхронизации (фиг. 3а) осуществляется перенос данных из счетчиков 3, 4 в регистры памяти 18, 19 (фиг. 3ж, з). Одновременно с помощью инвертора 13 выдается команда запрета счета в счетчиках 3, 4 на время записи данных в регистры 18, 19.

С задержкой времени τ, формируемой блоком 16, осуществляется «обнуление» счетчиков 3, 4 (фиг. 3д, е, и), после чего процесс в АЦП повторяется.

Конечное преобразование аналогового сигнала в код производится в течение времени t_И с помощью АЛУ в соответствии с выражением N_ВЫХ=K(N₁-N₂)/(N₁+N₂) и по команде с выхода одновибратора 17 (фиг. 3к).

На фиг. 4 приведены экспериментальные частотные характеристики канала 8, 9, 10 для двух способов «оцифровки» ШИМ-сигнала.

Первый вариант (фиг. 4а) касается случая, когда преобразования в цифру производится по сумме «положительных» и «отрицательных» импульсов с выхода релейного элемента 10 на всем интервале дискретизации Т_П. При этом количество «n» периодов ШИМ-сигнала варьировалось от n=1 до n=8. Подобный алгоритм АЦП соответствует прототипу.

Во втором случае (фиг. 4б) количество «n» периодов ШИМ-сигнала также изменялось от n=1 до n=8, но «оцифровка» производилась по последнему периоду импульсов с выхода релейного элемента 10 на интервале Т_П (фиг. 3а, в).

Из приведенных ЛАЧХ видно, что предлагаемый способ преобразования аналогового сигнала в «цифру» позволяет существенно расширить полосу пропускания АЦП по сравнению с прототипом. Например, при n=4 коэффициент передачи «k» АЦП-прототипа составляет 0,7 при нормированной частоте входного сигнала (фиг. 4а), а при рассмотренном способе (фиг. 4б). Здесь f_BX,f₀ - частота гармонического сигнала на входе 22 (фиг. 2) и частота выходных импульсов релейного элемента 10 при нулевом значении входного воздействия соответственно.

Этому факту есть следующее объяснение (фиг. 5). Интегрирующий РП, в состав которого входят сумматор 8, интегратор 9 и релейный элемент 10, в области частот входного сигнала по сути дела представляет собой апериодическое звено первого порядка, в котором, например, при «скачке» входного сигнала (фиг. 5а-в) переходной процесс подчиняется экспоненциальному закону. Если предположить, что дискретное изменение входного сигнала X_ВХ произошло синхронно с началом интервала T_П, то наибольшая ошибка преобразования Δ₁ будет характерна для интервала T₀₁, а наименьшая - для конечного интервала дискретизации T_0n (фиг. 5в), причем Δ_n может оказаться пренебрежимо малой величиной. Поэтому результирующая динамическая погрешность преобразования оказывается удовлетворяющей неравенству [Δ_РЕЗ=(Δ₁+Δ₂+…+Δ_n)]>>Δ_n.

Таким образом, предложенный способ АЦП обладает повышенной динамической точностью.

Рассмотренный пример АЦП (фиг. 2) предполагается использовать в цифровой системе контроля температуры сушильной камеры в электроцехе ОАО «Челябинский трубопрокатный завод».