устройство для преобразования аналогового сигнала оптического датчика в цифровой код

Формула изобретения

Устройство для преобразования аналогового сигнала оптического датчика в цифровой код, содержащее оптический датчик с выходом по напряжению, операционный усилитель, к инверсному входу которого подсоединены два объединенные общим выводом резистора одного номинала, причем свободный вывод первого резистора подключен к выходу первого ключа и коммутируемому входу третьего ключа, а свободный вывод второго резистора подключен к выходу второго ключа и коммутируемому входу четвертого ключа, выход операционного усилителя подсоединен к коммутируемому входу пятого ключа, выходы третьего, четвертого и пятого ключей соединены с входом интегратора и выходом шестого ключа, причем коммутируемый вход шестого ключа соединен с выходом первого источника опорного напряжения, а выход интегратора через нуль-орган с первым входом логического блока, второй вход логического блока соединен с выходом генератора тактовых импульсов, третий вход с выходом первого счетчика, вход которого, в свою очередь, подключен к первому выходу логического блока, второй выход логического блока подсоединен к управляющим входам первого и четвертого ключей, третий выход к управляющему входу шестого ключа, четвертый выход к управляющему входу пятого ключа, пятый выход через элемент связи к входу оптического датчика, а шестой выход к управляющим входам второго и третьего ключей, отличающееся тем, что дополнительно введены компаратор, источник порогового напряжения и второй счетчик, причем первый вход компаратора соединен с выходом интегратора, второй вход с выходом источника порогового напряжения, выход компаратора соединен с четвертым входом логического блока, седьмой выход которого подключен к входу второго счетчика, а выход оптического датчика подсоединен к коммутируемым входам первого и второго ключей.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к электроизмерительной технике и может найти применение в устройствах преобразования формы информации.

Известны устройства для преобразования аналогового сигнала оптического датчика в цифровой код интегрирующего типа, в которых повышение точности осуществляется за счет снижения влияния паразитных аддитивных составляющих преобразуемого аналогового сигнала. Например, в устройстве [1] данный положительный эффект достигается посредством введения единичного инвертора, выполненного на базе операционного усилителя и реализующего совместно с интегратором функцию вычитания паразитной аддитивной составляющей сигнала. Однако неидеальность инвертирования, обусловленная качеством резисторов, используемых в единичном инверторе, а также погрешность масштабирования, вносимая масштабным усилителем, негативным образом сказываются на точности преобразования.

Наиболее близким по технической сущности к предложенному устройству является преобразователь аналогового сигнала оптического датчика в цифровой код [2] содержащий оптический датчик с выходом по напряжению, подключенный через масштабный усилитель к коммутируемым входам первого и второго ключей, операционный усилитель, к инверсному входу которого подсоединены два объединенные общим выводом резистора одного номинала, причем свободный вывод первого резистора подключен к выходу первого ключа и к коммутируемому входу третьего ключа, а свободный выход второго резистора подключен к выходу второго ключа и к коммутируемому входу четвертого ключа, выход операционного усилителя подсоединен к коммутируемому входу пятого ключа, выходы третьего, четвертого и пятого ключей соединены с входом интегратора и выходом шестого ключа, причем коммутируемый вход шестого ключа соединен с выходом первого источника опорного напряжения, а выход интегратора через нуль-орган с первым входом логического блока, второй вход логического блока соединен с выходом генератора тактовых импульсов, третий вход с выходом первого счетчика, вход которого, в свою очередь, подключен к первому выходу логического блока, второй выход логического блока подсоединен к управляющим входам первого и четвертого ключей, третий выход к управляющему входу шестого ключа, четвертый выход к управляющему входу пятого ключа, пятый выход через элемент связи к входу оптического датчика, а шестой выход к управляющим входам второго и третьего ключей, причем повышение точности преобразования достигается путем использования метода поочередного подключения резисторов во входную цепь обратной связи операционного усилителя единичного инвертора в процессе преобразования посредством организации фиксированных моментов взаимной коммутации указанных резисторов и с подавлением благодаря этому в определенные моменты времени паразитных аддитивных составляющих преобразуемого напряжения. Это устройство и выбрано в качестве прототипа.

В прототипе в отличие от известного устройства [1] значительно уменьшена погрешность инвертирования, обусловленная качеством резисторов, используемых в единичном инверторе, которая по отношению к аналогичной погрешности устройства [[1] составляет величину второго порядка малости, однако, как и в устройстве [1] присутствует нескомпенсированная погрешность масштабирования из-за неидеальности масштабного усилителя.

Необходимость применения масштабного усилителя в прототипе объясняется тем, что при фиксированном периоде накопления [0; T₂] [2] и широком диапазоне величин сигнала от датчика, значения модуля накопленного на интеграторе напряжения может оказаться настолько малым, что погрешность нуль-органа будет недопустимо сказываться на точности определения момента времени T₃ [2] обнуления интегратора и, как следствие, на точности результата преобразования в целом.

Масштабные усилители всегда обладают погрешностью, которая проявляется в отклонении реального коэффициента передачи от номинального. Так как подавляющее большинство масштабных усилителей строится на базе операционного усилителя с резисторами во входной цепи и в цепи обратной связи, то погрешность масштабирования в прототипе имеет ту же природу, что и погрешность инвертирования в устройстве [1]([3] с.19-20).

Недостатком прототипа является его невысокая точность, вызванная наличием погрешности масштабирования из-за неидеальности масштабного усилителя.

Заявляемое изобретение решает задачу повышения точности посредством устранения погрешности, вносимой масштабным усилителем, при сохранении компенсации аддитивных помех с повышенной точностью, свойственной прототипу.

Решение задачи достигается тем, что в устройстве для преобразования аналогового сигнала оптического датчика в цифровой код, содержащее оптический датчик с выходом по напряжению, операционный усилитель, к инверсному входу которого подсоединены два объединенные общим выводом резистора одного номинала, причем свободный вывод первого резистора подключен к выходу первого ключа и к коммутируемому входу третьего ключа, а свободный вывод второго резистора подключен к выходу второго ключа и к коммутируемому входу четвертого ключа, выход операционного усилителя подсоединен к коммутируемому входу пятого ключа, выходы третьего, четвертого и пятого ключей соединены с входом интегратора и выходом шестого ключа, причем коммутируемый вход шестого ключа соединен с выходом первого источника опорного напряжения, а выход интегратора через нуль-орган с первым входом логического блока, второй вход логического блока соединен с выходом генератора тактовых импульсов, третий вход с выходом первого счетчика, вход которого, в свою очередь, подключен к первому выходу логического блока, второй выход логического блока подсоединен к управляющим входам первого и четвертого ключей, третий выход к управляющему входу шестого ключа, четвертый выход к управляющему входу пятого ключа, пятый выход через элемент связи к входу оптического датчика, а шестой выход к управляющим входам второго и третьего ключей. Дополнительно введены компаратор, источник порогового напряжения и второй счетчик, причем первый вход компаратора соединен с выходом интегратора, второй вход с выходом источника порогового напряжения, выход компаратора соединен с четвертым входом логического блока, седьмой выход которого подключен к входу второго счетчика, при этом из устройства исключается масштабный усилитель, а выход оптического датчика соединен с коммутируемыми входами первого и второго ключей.

Сущность изобретения заключается в создании точного устройства для преобразования аналогового сигнала оптического датчика в цифровой код, осуществляющего масштабирование путем организации такого числа повторений интервалов накопления сигнала от датчика с компенсацией паразитных аддитивных составляющих, что напряжение, накопленное на интеграторе, по модулю превысит значение, при котором степень влияния погрешности нуль-органа на результат преобразования не будет превосходить заданную величину.

На фиг.1 представлена схема предлагаемого устройства для преобразования аналогового сигнала оптического датчика в цифровой код; на фиг.2 временные диаграммы заявляемого устройства.

Устройство для преобразования аналогового сигнала оптического датчика в цифровой код (далее просто устройство) содержит оптический датчик 2 с выходом по напряжению, операционный усилитель 12, к инверсному входу которого подсоединены два объединенные общим выводом резистора 5 и 13 одного номинала, причем свободный вывод первого резистора 5 подключен к выходу первого ключа 3 и к коммутируемому входу третьего ключа 6, а свободный вывод второго резистора 13 подключен к выходу второго ключа 4 и к коммутируемому входу четвертого ключа 10. Выход операционного усилителя 12 подсоединен к коммутируемому входу пятого ключа 9. Выходы третьего 6, четвертого 10 и пятого 9 ключей соединены с входом интегратора 7 и выходом шестого ключа 8, причем коммутируемый вход шестого ключа 8 соединен с выходом источника опорного напряжения 17, а выход интегратора 7 через нуль-орган 14 с первым входом логического блока 11. Второй вход логического блока 11 соединен с выходом генератора тактовых импульсов 15, третий вход с выходом первого счетчика 16, вход которого, в свою очередь, подключен к первому выходу логического блока 11. Второй выход логического блока 11 подсоединен к управляющим входам первого 3 и четвертого 10 ключей, третий выход к управляющему входу шестого ключа 8, четвертый выход к управляющему входу пятого ключа 9, пятый выход через элемент связи 2 к входу оптического датчика 1, а шестой выход к управляющим входам второго 4 и третьего 6 ключей.

Устройство также содержит компаратор 18, первый вход которого соединен с выходом интегратора 7, а второй вход с выходом источника порогового напряжения 19. Выход компаратора 18 соединен с четвертым входом логического блока 11, седьмой выход которого подключен к входу второго счетчика 20. Выход оптического датчика 1 подсоединен к коммутируемым входам первого 3 и второго 4 ключей.

Устройство работает следующим образом.

Пусть в начальный момент времени t=0 счетчики 16, 20 и интегратор 7 обнулены, а ключи 3, 4, 6, 8, 9 и 10 разомкнуты. В интервале времени оптический датчик 1 установлен управляющим сигналом с пятого выхода логического блока 11 через элемент связи 2 в неактивное состояние, и на коммутируемых входах аналоговых ключей 3 и 4 присутствует паразитное напряжение u₀, обусловленное помехой, наводимой в кабеле, связывающем оптический датчик 1 с этими ключами, а также темновой составляющей оптического датчика 1.

Аналоговые ключи 3, 4, 6, 8, 9 и 10 управляются сигналами с соответствующих выходов логического блока 11 так, что в интервале времени ключи 3, 9, 10 замкнуты, а ключи 4, 6 и 8 разомкнуты. При этом напряжение u₀ через замкнутый ключ 3 и резистор 5 поступает на инверсный вход операционного усилителя 12. Напряжение с выхода операционного усилителя 12 через замкнутый ключ 9 поступает на вход интегратора 7, а через замкнутый ключ 10 и резистор 13 на инверсный вход операционного усилителя 12.

При этом необходимо отметить, что ключи 6 и 10 должны быть двунаправленного действия. Таким образом, операционный усилитель 12 совместно с резисторами 5 и 13 образует инвертор напряжения, у которого резистор 5 находится во входной цепи, а резистор 13 в цепи обратной связи. Коэффициент передачи инвертора в рассматриваемом интервале времени определяется выражением



где R₅ и R₁₃ сопротивления резисторов 5 и 13.

Напряжение на входе интегратора 7

u_o = K_и.1u_o. (2)

Приращение напряжения на выходе интегратора 7 за период



где постоянная времени интегратора 7.

В интервале времени ключи 4, 6 и 9 замкнуты, а ключи 3, 8 и 10 разомкнуты под действием управляющих сигналов с выходов логического блока 11, синхронизируемого генератором тактовых импульсов 15. Напряжение с выхода оптического датчика 1 через замкнутый ключ 4 и резистор 13 поступает на инверсный вход операционного усилителя 12. Напряжение с выхода операционного усилителя 12 через замкнутый ключ 9 поступает на вход интегратора 7, а через замкнутый ключ 6 и резистор 5 на инверсный вход операционного усилителя 12. Таким образом, в интервале времени между выходом оптического датчика 1 и входом интегратора 7 включен инвертор напряжения, у которого резистор 13 находится во входной цепи, а резистор 5 в цепи обратной связи. Коэффициент передачи инвертора с учетом произведенной коммутации резисторов 5 и 13



Напряжение на входе интегратора 7

u₉ = K_и.2u_o. (5)

Приращение напряжения на выходе интегратора 7 в рассматриваемом интервале времени



В интервале времени [T₁; T₂] [0; T₁] управляющий сигнал с вывода 5 логического блока 11 через элемент связи 2 активирует оптический датчик 1, с которого на входы ключей 3 и 4 поступает напряжение

u_д=u_с + u₀, (7)

где u_с напряжение полезного сигнала.

В этом же интервале [T₁;T₂] ключи 8 и 9 разомкнуты, а ключи 3, 4, 6 и 10 замкнуты управляющими сигналами логического блока 11. Напряжение u_д через замкнутые ключи 3, 4, 6 и 10 поступает на вход интегратора 7. Приращение напряжения на выходе интегратора 7 в рассматриваемом интервале времени



Длительность интервалов и [T₁; T₂] задается логическим блоком 11 путем подсчета количества тактовых импульсов на выходе генератора тактовых импульсов 15 посредством счетчика 16.

В момент времени T₂ счетчик 20 инкрементируется под воздействием импульса, поступающего с седьмого логического блока 11. Напряжение на инверторе 7 сравнивается с напряжением (-E_п), задаваемым источником порогового напряжения 19 посредством компаратора 18, а результат сравнения с выхода компаратора 18 поступает на четвертый вход логического блока 11.

Если условие



не выполняется, то устройство последовательно повторяет все операции (кроме обнуления интегратора 7 и счетчика 20), производимые в интервале [0; T₂] до тех пор, пока в некоторый момент времени T = nT₂ не выполнится условие:



где n значение счетчика 20 (n целое число);

i номер повторения операций интервала [0; T₂] причем самому интервалу [0; T₂] соответствует i=0 (i- целое число);



приращение напряжения на выходе интегратора 7 за интервал ;



приращение напряжения на выходе интегратора 7 за интервал ;



приращение напряжения на выходе интегратора 7 за интервал [T₁+ iT₂; N₂+iT₂]

При этом напряжение на выходе интегратора 7



С момента времени T = nT₂ ключи 3, 4, 6, 9 и 10 разомкнуты, ключ 8 замкнут, а счетчик 20 заблокирован под воздействием управляющих сигналов с выходов логического блока 11. Оптический датчик 1 переводится в неактивное состояние управляющим сигналом, поступающим с пятого выхода логического блока 11 через элемент связи 2. С выхода источника опорного напряжения 17 через замкнутый четвертый ключ 8 на вход интегратора 7 поступает напряжение (-E) обратного знака по отношению к напряжению сигнала оптического датчика 1 и интегрируется до момента T₃ установления на выходе интегратора 7 нулевого напряжения. Это состояние регистрируется нуль-органом 14, с выхода которого в момент времени T₃ передается сигнал на первый вход логического блока 11.

Приращение напряжения на выходе интегратора 7 в течение интервала времени [T; T₃]



В течение интервала времени [T; T₃] тактовые импульсы с выхода генератора тактовых импульсов 15, поступающие на второй вход логического блока 11, передаются с первого выхода логического блока 11 на вход счетчика 16. На этом цикл преобразования заканчивается.

Поскольку напряжение на выходе интегратора 7 в начале и в конце цикла преобразования равно нулю, то можно записать уравнение:



а с учетом (11) (16)



Допуская, что на примыкающих интервалах времени и [T₁ + iT₂; T₂ + iT₂] средние значения напряжений u₀ не меняются



и обозначив также



получим



С учетом [T₁; T₂] [0;T₁]



Из соотношения (21) видно, что n значение счетчика 20, регистрирующее число реализаций интервала [0; Т₂] на интервале [0; T] эквивалентно целочисленному масштабному коэффициенту, задаваемому (в прототипе) масштабным усилителем. Кроме того, в дополнение к усреднению по периодам [ T₁+ iT₂; T₂+iT₂] значения полезного сигнала усредняются и по числу реализаций интервала [0; T₂] что усиливает положительный эффект предлагаемого изобретения.

Покажем, что предлагаемое устройство сохраняет полезное свойство прототипа, при котором погрешность инвертирования по отношению к инструментальной погрешности коэффициента передачи инвертора, обусловленной неравенством резисторов, используемых в единичном инверторе, составляет величину второго порядка малости.

Обозначим



среднее значение коэффициента передачи инвертора за период [0; T₁]

Тогда



Коэффициенты передачи инвертора в периоды являются взаимно обратными величинами:



где K_{и u} абсолютная инструментальная погрешность коэффициента передачи инвертора, обусловленная неравенством сопротивлений резисторов 5 и 13 из-за наличия допусков.

Среднее значение коэффициента передачи инвертора за период [iT₂; T₁+ iT₂] с учетом (22) и (24)



Второе слагаемое соотношения (25) представляет собой отклонение среднего значения коэффициента передачи инвертора от -1 на интервале [iT₂; T₁+ iT₂] или абсолютную погрешность инвертирования



При использовании обычных резисторов, применяемых в электроизмерительной технике и имеющих допуски 0,1-10,0% абсолютная инструментальная погрешность коэффициента передачи инвертора

K_и = -1(R13 - R5), (27)

где R5 и R13 допуски резисторов 5 и 13 соответственно;

в наихудшем случае при R5 = -R13 = R будет иметь значение (0,002-0,2), а знаменатель выражения (26) по модулю всегда будет больше 1. Следовательно, погрешность инвертирования не превысит величину второго порядка малости от K_и для любого периода [iT₂; T₁+ iT₂]

Выражение (23) с учетом (25) и (26) примет вид



Из (28) нетрудно видеть, что имеет место усреднение значений некомпенсированной помехи по числу реализаций интервала [0; T₂] что усиливает положительный эффект предлагаемого изобретения.

Таким образом, реализованный в предлагаемом устройстве способ масштабирования не предполагает использования дорогостоящих прецизионных элементов, ибо осуществляется путем организации дополнительных интервалов накопления сигнала от датчика, что технически реализовать значительно проще, чем прецизионный масштабный усилитель. Кроме того, в отличие от прототипа коэффициент масштабирования в заявляемом устройстве определяется непосредственно в процессе проведения преобразования, что не требует пробных измерений.

Источники информации

1. Авторское свидетельство СССР N 997246, кл.H 03 K 13/20, 1983.

2. Авторское свидетельство СССР N 1450110, кл. H 03 M 1/12, 1989 (прототип).

3. Гутников В.С. Интегральная электроника в измерительных устройствах. - М. Энергоатомиздат, 1988.