Схема интегратора с частотной модуляцией
Изобретения относятся к области измерительной техники и могут быть использованы в интегрирующих схемах с частотной модуляцией. Техническим результатом является повышение точности. Интегрирующая схема, содержит средство для частотной модуляции входного сигнала и выработки модулированного сигнала, состоящее из запоминающего средства и коммутационных конденсаторов, и интегрирующее средство, содержащее усилитель и интегрирующий конденсатор. Аналого-цифровой преобразователь сигма-дельта содержит интегрирующую схему, компаратор, мультивибратор и схему ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ. Схема умножителя содержит два преобразователя сигма- дельта. Электроизмерительное устройство содержит схему умножителя. 4 с. и 5 з.п.ф-лы, 6 ил.
Настоящее изобретение относится к интегрирующей схеме с частотной модуляцией сигнала, включающей в себя средство для частотной модуляции входного сигнала и интегрирующее средство, содержащее усилитель и интегрирующий конденсатор, коммутационно подключенный ко входу и выходу усилителя.
В интегрирующих цепях могут возникать проблемы, связанные со сдвигами напряжения по входу усилителя. Модуляция частоты или "прерывание" каждого сигнала - это один из хорошо известных способов устранения влияния этих сдвиговых напряжений. Обычно полярность входного сигнала на усилителе модулируется накладываемым частотным или "прерывистым" сигналом в виде квадратной волны, так что входной сигнал накладывается поочередно с положительной или отрицательной полярностью. Модулированный сигнал и какое-либо сдвиговое напряжение интегрируется и затем выходной сигнал демодулируется, например, посредством логической схемы, ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ, синхронизированной частотным сигналом. Этот демодулированный сигнал содержит постоянный сигнал, соответствующий интегрированному входному сигналу, накладываемому со смещенным шумовым сигналом, имеющим частоту прерывистого сигнала. Смещенный сигнал может затем быть устранен посредством фильтрации композитного сигнала через фильтр, имеющий высокую частоту среза ниже частоты прерывателя. Такие способы модуляции используются, в частности, в аналого-цифровых преобразователях сигма-дельта, в которых опорное напряжение переменного знака суммируется с входным напряжением и интегрируется, выходной сигнал интегратора подается на компаратор, а выходной сигнал компаратора подается в обратном направлении для контроля полярности опорного напряжения, причем полярность опорного напряжения выбирается таким образом, чтобы имела место тенденция приведения выходного сигнала интегратора к нулю. Такие преобразователи хорошо известны в этой области и описаны, например, в патентах США 3659288, 4009475 и многих других. Работа таких устройств общеизвестна. Частотная модуляция, при которой полярность входного напряжения дополнительно изменяется, также известна для указанных схем и описана в патенте Франции 2570854, согласно которому входное напряжение выбирается посредством размещения коммуникационных конденсаторов, при этом полярность входного напряжения изменяется согласно последовательности используемого переключения конденсаторов. Частотная модуляция в интегрирующей схеме, включающей в себя усилитель и конденсатор, приводит к конкретной проблеме, связанной с интегрирующим конденсатором. Когда сигнал интегрируется, заряд на интегрирующем конденсаторе возрастает. Если затем полярность входного сигнала меняется на обратную, то есть посредством частотно-модулированного сигнала, интегрирующий конденсатор будет заряжаться в направлении, противоположном зарядке нового входного сигнала и нового выходного сигнала усилителя. При этом в интегрирование вводится ошибка. Для того, чтобы снять проблему "памяти" интегрирующего конденсатора, полярность заряда в интегрирующем конденсаторе также следует изменить на обратную во время реверсирования входного сигнала, то есть так, чтобы интегрирование могло продолжаться от той же самой точки, но с зарядом на интегрирующим конденсаторе, измененным на обратный, с тем, чтобы отразить изменение полярности входного сигнала. Обычно указанное изменение полярности интегрирующего конденсатора на обратную выполняется посредством простого коммутационного соединения при интегрирующем конденсаторе, при этом соединения с каждой пластиной интегрирующего конденсатора изменяются на противоположные в то же самое время, когда происходит изменение полярности входного сигнала. Однако подобная традиционная система имеет два больших недостатка. Во-первых, отключение интегрирующего конденсатора, подсоединенного между входом и выходом усилителя, приводит к тому, что до тех пор, пока конденсатор не будет подсоединен снова, усилитель находится в состоянии разомкнутой петли, то есть в этом случае разорвана цепь обратной связи между входом и выходом. При этом опасность насыщения усилителя становится значительной. Второй недостаток, связанный с простым реверсированием конденсатора, касается неоднородности зарядов, хранящихся на каждой пластине конденсатора. Это проблема стоит особенно остро в том случае, когда компоненты интегрирующей схемы сконструированы с использованием технологии для КМОП-структуры, при которой интегрирующий конденсатор будет содержать верхнюю и нижнюю пластины, расположенные над общей подложкой. Наряду с электрической емкостью между двумя пластинами электрическая емкость также будет иметь место между каждой из пластин и подложкой. Величина этих паразитных емкостей будет зависеть от расстояния между пластиной и подложкой, так что паразитная емкость для нижней пластины будет значительно больше, чем для верхней пластины. Обычно в большинстве случаев паразитная емкость нижней пластины будет составлять порядка 10% от общей емкости конденсатора (то есть от пластины к пластине), в то время как паразитная емкость верхней пластины будет составлять порядка 1% емкости конденсатора от пластины к пластине. Такая асимметрия между верхней и нижней пластинами конденсатора приводит к весьма существенным ошибкам при переключении интегрирующего конденсатора между разными положениями, поскольку заряд, аккумулированный паразитной емкостью нижней пластины, при подсоединении к выходу усилителя будет инжектироваться в емкость от пластины к пластине, когда нижняя пластина переключается для подсоединения ко входу усилителя с более высоким полным сопротивлением. Альтернативный способ изменения заряда на обратный в интегрирующем конденсаторе - это способ, описанный в статье "Аналого-цифровой преобразователь с КМОП-структурой для 16 бит, работающий на низком напряжении", Дж. Роберт и др. IEEE журнал твердотельных схем, том SC-22 N 2, апрель 1987. Схема, описанная в этой работе, содержит усилитель и интегрирующий конденсатор, а также подсоединенный между входом усилителя и входными сигналами коммутационный конденсатор, используемый для выборки и передачи входных сигналов к усилителю. В случае обычных коммутационных конденсаторных схем функция коммутационного конденсатора заключается в управлении полярностью сигналов, поступающих на усилитель, то есть для изменения на обратную полярности сигналов на входе, если это требуется, при этом коэффициент усиления, обычно настраиваемый на единицу, определяется отношением емкостей интегрирующего конденсатора и коммутационного конденсатора. В случае способа, описанного в вышеуказанной публикации, коммутационный переключатель также используется для реверсирования заряда интегрирующего конденсатора во время реверсирования входного сигнала при модуляции. Используются три этапа работы. На первом этапе выход усилителя в указанный момент подключают к коммутационному конденсатору. На втором этапе интегрирующий конденсатор разряжается, на третьем этапе заряд с коммутационного конденсатора передается на интегрирующий конденсатор, так что интегрирующий конденсатор заряжают с обратной полярностью. Хотя данная схема решает проблемы расположения усилителя в разомкнутой петле, она все же имеет ряд недостатков. В частности, отношение емкости интегрирующего и коммутационного конденсаторов определяет как коэффициент усиления, так и заряд, перемещенный в течение операции реверсирования. Это означает, что, во-первых, отношение, а следовательно, и коэффициент усиления, должны фиксироваться на единице, чтобы обеспечить надлежащий переход заряда интегрирующего конденсатора. Кроме того, проблемы, связанные с паразитными емкостями, все еще будут возникать, а двойная функция коммутационного конденсатора делает их компенсацию затруднительной. Далее, этой системе присущ еще один недостаток, заключающийся в том, что требуется относительно большое количество операций для реверсирования заряда на конденсаторе, включая стадию разрядки интегрирующего конденсатора перед переходом заряда с коммутационного конденсатора на интегрирующий конденсатор. Настоящее изобретение отличается тем, что схема дополнительно содержит запоминающее средство наряду с некоторыми коммутационными конденсаторами, если они имеются, связанными с модуляцией входного сигнала, при этом запоминающее средство подсоединено с возможностью переключения между входом и выходом усилителя параллельно с интегрирующим конденсатором и с возможностью сохранения заряда, связанного с напряжением на выходе усилителя, и переноса заряда на интегрирующий конденсатор, с целью обеспечения реверсирования заряда интегрирующего конденсатора синхронно с частотной модуляцией входного сигнала. Использование дополнительного запоминающего средства параллельно интегрирующему конденсатору позволяет решить проблемы обычных систем, связанные с использованием усилителя в режиме разомкнутой петли. Кроме того, использование функционально специализированного запоминающего средства в дополнение к коммутационным конденсаторам (если они имеются) позволяет сделать определенный выбор запоминающего средства, с тем чтобы обеспечить наилучшее согласование с интегрирующим конденсатором, и, в случае использования также и переключающего конденсатора, обеспечить возможность требуемой настройки усилителя, при которой коэффициент усиления превышает единицу. В предпочтительном варианте осуществления запоминающее средство фактически имеет двойную емкость интегрирующего конденсатора, при этом схема может действовать так, чтобы заряжать запоминающее средство одновременно с пластиной интегрирующего конденсатора, подсоединенной к выходу усилителя, и затем осаждать этот заряд, фактически соответствующий удвоенному заряду интегрирующего конденсатора, на другую пластину интегрирующего конденсатора, с тем чтобы эффективно изменить знак конденсатора на обратный. Добавление заряда, представляющего собой двойной заряд интегрирующего конденсатора, но с противоположным знаком, приводит к тому, что конденсатор принимает противоположный знак. При этом обеспечивается весьма простой и эффективный способ инвертирования интегрирующего конденсатора, так что напряжение на выходной пластине интегрирующего конденсатора сразу же согласуется с напряжением на выходе усилителя после инверсирования входного сигнала. В частности, проблемы, связанные с большим количеством стадий для осуществления инверсирования конденсатора в схеме Робертса, решаются в том случае, когда отсутствует требование обеспечения повторной настройки для разряда интегрирующего конденсатора. Предпочтительно, чтобы интегрирующий конденсатор был подсоединен на клеммах усилителя таким образом, чтобы пластина конденсатора, имеющая наибольшую паразитную емкость, подсоединялась к выходу усилителя. Например, интегрирующий конденсатор может содержать конденсатор с КМОП-структурой, в которой нижняя пластина подсоединена к выходу усилителя, а верхняя пластина - к его входу. В усилителе, условия которого приближаются к идеальным, выход может быть представлен источником тока с низким сопротивлением, а вход - нагрузкой с бесконечным сопротивлением. Большая часть усилителей приближается к таким характеристикам, в частности операционные усилители. Описанная компоновка интегрирующего конденсатора сводит к минимуму влияние паразитных емкостей, поскольку большая паразитная емкость всегда соединяется с источником тока. Следовательно, любые остаточные заряды, остающиеся после инверсии конденсатора, будут быстро нейтрализованы источником тока. При использовании дополнительного запоминающего средства для инвертирования конденсатора, вместо изменения соединений конденсатора, как в обычных системах, большая паразитная емкость интегратора может быть постоянно соединена с выходом, что позволяет избежать инжектирование нежелательного заряда, которое имеет место, когда паразитная емкость внезапно располагается на входе с высоким сопротивлением в обычных системах. Влияние пониженной паразитной емкости, постоянно подсоединенной ко входу усилителя, обычно минимальное. Такая схема соединения интегрирующего конденсатора не предлагается ни в одной из известных систем, включая рассмотренную выше схему Робертса. Предпочтительно, чтобы запоминающее средство содержало конденсатор, в котором пластина запоминающего конденсатора, имеющая наименьшую паразитную емкость, имела возможность попеременного соединения с входной и выходной пластинами интегрирующего конденсатора, а другая пластина запоминающего конденсатора соединялась с землей или чем-либо эквивалентным. Выполняемое таким образом соединение пластины, имеющей наинизшую паразитную емкость, с Землей, устраняет влияние больших ошибок, взаимосвязанных с запоминающим конденсатором, поскольку эта емкость не основана на переходе заряда. Это означает, что данное значение емкости запоминающего конденсатора от пластины к пластине будет в значительной степени соответствовать требуемой величине удвоенной емкости интегрирующего конденсатора. В качестве альтернативы или дополнения к данному утверждению, характеристика запоминающего конденсатора может быть выбрана такой, что основная емкость пластин запоминающего конденсатора совместно с паразитной емкостью пластины запоминающего конденсатора, подсоединяемой к входной и выходной пластинам интегрирующего конденсатора, представляют собой глобальную емкость с удвоенным значением интегрирующего конденсатора. В этом варианте осуществления только одна пластина запоминающего конденсатора когда-либо переносит заряд, так что никакой асимметрии не возникает. Использование для этой цели рассматриваемого запоминающего конденсатора, противоположное использованию коммутационного конденсатора, означает, что может быть выбрана характеристика запоминающего конденсатора, обеспечивающая оптимальный эффект. В одном из вариантов осуществления частотная модуляция может быть выполнена компоновкой коммутационного конденсатора для инвертирования входного сигнала. Изобретение распространяется на аналого-цифровой преобразователь сигма-дельта, включающий в себя такую интеграторную схему и, в частности, схему умножителя сигма-дельта, содержащую две схемы сигма-дельта, например, таких, которые показаны в патенте Франции 2570854, в котором один или оба преобразователя сигма-дельта включают в себя такой интегратор. Изобретение также распространяется на электрические измерения, при которых используется такая схема умножителя. В дальнейшем изобретение поясняется описанием предпочтительного примера выполнения настоящего изобретения со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых фиг. 1 изображает обобщенную схему, в котором используется частотная модуляция входного сигнала для устранения сдвиговых ошибок; на фиг. 2 - традиционный преобразователь сигма-дельта, предназначенный для обеспечения частотной модуляции входных сигналов; фиг. 3 - заряд интегрирующего конденсатора без инверсии и с инверсией интегрирующего конденсатора (1 - без инверсии конденсатора; 2 - с инверсией конденсатора); фиг. 4 - конденсатор, сконструированный по технологии КМОП-структуры (1 - подложка); фиг. 5 - преобразователь сигма-дельта согласно варианту осуществления изобретения; фиг. 6 - диаграмма синхронизации коммутационного устройства, взаимосвязанного с преобразователем сигма-дельта согласно фиг 4. На фиг. 1 представлен обобщенный вид схемы, например сигма-дельта схемы, включающей в себя частотную модуляцию. Сигнал Teh прерывателя добавляется ко входному сигналу Vin1 в точке 1 и комбинированный сигнал пропускается через сигма-дельта преобразователь 2, который включает в себя связанное с ним постоянное сдвиговое напряжение Voffset. Выходной сигнал демодулируется в точке 3 посредством вычитания того же самого сигнала прерывателя. Демодулированный сигнал в этой точке будет содержать преобразовательный входной сигнал, имеющий постоянную величину, и накладываемый смещенный шумовой сигнал, имеющий частоту сигнала прерывателя. Затем этот сигнал пропускаются через фильтр 4, имеющий частоту среза Fe в точке ниже частоты сигнала прерывателя, при этом выполняется фильтрация вне смещенного шума и обеспечивается сигнал, соответствующий преобразованному входному сигналу, без влияния смещения. Этот способ хорошо известен, поэтому нет необходимости в его более подробном описании. На фиг. 2 представлена обычная преобразующая схема сигма-дельта, включающая в себя коммутационное конденсаторное средство для контроля полярности опорного напряжения на входе и для изменения поляризующего напряжения для осуществления частотной модуляции. Точнее, входной сигнал Vin и опорный сигнал Vref подаются через систему переключателей![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/966.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/966.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/966.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/966.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/966.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/966.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/966.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/966.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/966.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/966.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/966.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/966.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/966.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/966.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/966.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/966.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/966.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/966.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/966.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/966.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/966.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/966.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/966.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/966.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/966.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/966.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/966.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/966.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/img_pat/24/247987.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/img_pat/24/247988.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/966.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/966.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/966.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/966.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/966.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/966.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/966.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/966.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/966.gif)
Очевидно,
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/966.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/966.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/966.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/966.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/966.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/966.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/966.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/966.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/966.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/966.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/966.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/966.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/966.gif)
Формула изобретения
РИСУНКИ
Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6PD4A - Изменение наименования обладателя патента Российской Федерации на изобретение
(73) Новое наименование патентообладателя:
ШЛЮМБЕРЖЕ СА (FR)
Извещение опубликовано: 27.05.2005 БИ: 15/2005
MM4A - Досрочное прекращение действия патента СССР или патента Российской Федерации на изобретение из-за неуплаты в установленный срок пошлины за поддержание патента в силе
Дата прекращения действия патента: 20.01.2010
Извещение опубликовано: 10.11.2010 БИ: 31/2010