CC BY
10
УДК 004.75
Николаев А.В., Пискаев К.Ю., Юрманова С.В.
АО «Научно-исследовательский институт физических измерений», Пенза, Россия
ФГБОУ ВО «Пензенский государственный технологический университет», Пенза, Россия
РЕАЛИЗАЦИЯ ВЕСОВЫХ ФУНКЦИЙ С КОЭФФИЦИЕНТАМИ «+1» И «-1 » В СХЕМЕ НЕПРЕРЫВНО-ДИСКРЕТНОГО ИНТЕГРАТОРА ЕЛ-АЦП
В современных микросхемах ЕЛ-АЦП интегратор реализуется на переключаемых конденсаторах для повышения частоты передискретизации. За счет реализации максимально возможного для имеющейся элементной базы режима быстродействия системы «интеграторы — квантователь — ЦАП». В работе путем минимального изменения схемы непрерывно-дискретного интегратора на переключаемых конденсаторах — введения дополнительного коммутирующего элемента, обеспечивается реализация весовых функций с коэффициентами «+1» и «—1» Ключевые слова:
ЕД-АЦП, интегратор на переключаемых конденсаторах, метод весового интегрирования
с практической реализацией в конкретных схемо-
Повышение динамических характеристик ЕД-АЦП за счет снижения собственных шумов элементов преобразователя выступает приоритетным направлением совершенствования прецизионных средств измерения на их основе. Известной альтернативой повышения параметров самих элементов средствами технологического процесса производства, является использование метод весового интегрирования [1]. Хорошо проработанный в теоретическом плане данный метод оставляет ряд вопросов, связанны:':
технических решениях ЕД-АЦП [2-4].
В качестве примера, на рисунке 1 приведена АЧХ, получаемая при 100 повторениях простейшей весовой функции (ВФ) «+1-1» на интервале преобразования. Видно, что за исключением небольшой окрестности частот 0,5w и 1,5w осуществляется подавление всех спектральных составляющих собственных шумов операционных усилителей (ОУ) интегратора ЕД-АЦП.
0.2 0.25 0.3
Относительная частота, V/
Рисунок 1 - Форма АЧХ ЕД-АЦП при 100 повторениях простейшей весовой функции «+1-1» на интервале
преобразования
В качестве альтернативы известной [1] реализации ВФ в схеме нормирующих усилителей (НУ) разработана схема, обеспечивающая реализацию весовых коэффициентов «+1» и «-1» в интеграторе на переключаемых конденсаторах. Схема интегратора, иллюстрирующая предложенное решение, представлена на рисунке 2. Для упрощения представления в схеме опущен второй входной «запоминающий» конденсатор, то есть преобразование ведется с пропусками информации о входной величине. Работа системы ключей Б1, ... S5 показана на временной диаграмме (рисунок 3).
На рисунке 3 уровень логической единицы соответствует замкнутому положению ключа, а логического нуля - разомкнутому. В режиме запись «+1» осуществляется запоминание напряжения
ивх на конденсаторе С1 со знаком «+» по отношению к интегрирующему звену. В режиме чтение заряд конденсатора С1 подается на интегрирующее звено. В режиме запись «-1» входное напряжение ивх подается на противоположную обкладку конденсатора С1, обеспечивая знак «-» по отношению к интегрирующему звену.
Современные ЕД-АЦП преимущественно используют интеграторы на переключаемых конденсаторах, следовательно данная технология и сопряженные с ней схемотехнические решения хорошо отработаны. Добавление всего одного дополнительного коммутирующего элемента обеспечивает реализацию ВФ «+11», причем в отличие от схем НУ без дополнительных смещений по напряжению.
Рисунок 2 - Предлагаемая схема интегратора на переключаемых конденсаторах (упрощенное
представление с пропусками информации)
Рисунок 3 - Временная диаграмма управляющих команд предложенной схемы интегратора
.;сг2 '.Ьггз -эггз Гл-.з
б) Коэффициент передачи равен 1
-4~ ...
;
в) Коэффициент передачи равен 2,5 Рисунок 4 - Временные диаграммы поясняющие работу предложенной схемы интегратора: ивх - прерывистая линия; ивых("Ь) - сплошная линия
Наряду с достоинствами, предложенной схеме присущи определенные недостатки: на входе интегратора для согласования с датчиком в обязательном порядке ставится схема НУ (в простейшем случае повторитель), и погрешность данной схемы полным весом входит в результат преобразования. Таким образом, предложенная схема позволяет минимизировать напряжение смещения ОУ, входящего в интегратор, и не решает проблему минимизации напряжения смещения схемы НУ.
Работа схемы интегратора (рисунок 2) иллюстрируется временными диаграммами (рисунок 4). При постоянном входном напряжении равном минус 1В на выходе имеем меандр (рисунок 4а). При подаче на вход меандра с периодом 10мс, на выходе получаем нарастающее напряжение, так как отрицательная амплитуда меандра проходит с коэффициентом «+1», а положительная с коэффициентом «1». Увеличивая период меандра в два раза, получаем результат, представленный на рисунке 4в. Сначала отрицательная амплитуда запоминается с коэффициентом «+1» (после её интегрирования
имеем на выходе напряжение 2,5В), затем с коэффициентом «-1» (после интегрирования на выходе 0В). Аналогично, положительная амплитуда проходя с коэффициентом «+1» дает на выходе минус 2,5В, а затем с «-1» обеспечивает возвращение выходного напряжения интегратора к нулю.
Предложенная схема реализации ВФ «+1-1», как и известная схема интегратора на переключаемых конденсаторах, работает на повышенной частоте передискретизации. В современных ЕД-АЦП интеграторы на переключаемых конденсаторах работают на частотах порядка 5 - 10МГц. Таким образом, даже при частоте дискретизации в 100кГц, коэффициент передискретизации равен 100.
Таким образом, на основе широко применяемой схемы интегратора на переключаемых конденсаторах разработана схема, дополнительно обеспечивающая реализацию ВФ с коэффициентами «+1» и «-1» на частоте передискретизации. Многократное суммирование результатов преобразования с данной ВФ обеспечивает прямо пропорциональное коэффициенту передискретизации увеличение эффективности подавления внутренних шумов.
ЛИТЕРАТУРА
1. Шахов Э.К., Михотин В.Д. Интегрирующие развертывающие преобразователи напряжения. - М.: Энергоатомиздат, 1986. - 144 с.
2. А.В. Куц, К.Ю. Пискаев, В.А. Юрманов Реализация весового интегрирования в высокоточных интегрирующих АЦП // Вопросы радиоэлектроники. Серия ЭВТ. Выпуск 5. - Москва: Изд-во: ОАО «ЦНИИ «Электроника», 2010. - с. 157-165.
3. К.Ю. Пискаев, М.В. Тюрин, В.А. Юрманов Повышение точности интеллектуальных датчиков // Современные информационные технологии. Труды международной научно-технической конференции. - Пенза: Пензенская государственная технологическая академия, 2011. - Выпуск 14. - с. 60-66.
4. А.В. Куц, М.Ю. Михеев, В.А. Юрманов Развитие алгоритмов прецизионных интегрирующих АЦП с весовым интегрированием // Надежность и качество: труды международного симпозиума: в 2-х томах/под ред. Н.К. Юркова. - Пенза: Информационно-издательский центр ПензГУ, 2009. - Т.1. - с. 444-450.
УДК 553.98
Михеев М.Ю., Прокофьев О.В., Савочкин А.Е.
ФГБОУ ВО «Пензенский государственный технологический университет», Пенза, Россия ПРОГНОЗИРОВАНИЕ ЛИТЕРАЛЬНЫХ СИТУАЦИЙ ПО КОРОТКИМ ВРЕМЕННЫМ РЯДАМ
На объектах особого назначения зачастую возникают ситуации, когда для определения возможной аварийной (литеральной) ситуации имеется ограниченный набор актуальных данных, характеризующийся короткими временными рядами. По этим данным необходимо составить прогноз дальнейшего развития состояния объекта. В данной статье предлагаются модели и алгоритмы прогнозирования литеральной ситуации на объекте на основе анализа коротких временных рядов Ключевые слова:
прогнозирование, короткий временной ряд, предаварийная ситуация, аварийное состояние
На практике возникает задача контроля технического состояния и прогнозирования его изменения на объектах ответственного назначения. Возникают ситуации, когда физический процесс, от которого зависит наступление литеральной ситуации, можно охарактеризовать только короткими
временными рядами (ВР). Это могут быть быстро-протекающие процессы (такие как удар или краткосрочная вибрация) или ситуация, когда получение каждого наблюдения является либо очень дорогостоящей операцией, либо опасно для жизни и здоровья. При этом количество отсчетов в ВР зачастую не превышает 30 значений. Такие процессы
