Аналого-цифровой преобразователь

 

1. АНАЛОГО-ЦИФРОВОЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ , содержащий п-1 раэностньрс усилителей с коэффициентом усиления два, где п - число разрядов преобразования, п-1 ключей, п компараторов, первые входы которых соединены с выходом источника эталонного напряжения и первьи в-ходрм первого ключа, второй вход первого компаратора соединен с выходом источника однополярного сигнала и первьм входом первого разностного усилителя с коэффициентом усиления два, выходы всех компараторов соединены с выходными шинами, выход первого компаратора соединен с вторым входом первого ключа, а выходы ti-2 компараторов соединены соответственно с первьми входами соответствующих п-2 ключей, выходы которых соединены с первыми входами соответствующих п-2 разностных усилителей с коэффициентом усиления два, а выход первого ключа - с вторым входом первого разностного усилите«СЕСОШЗЙАЙ ЙАТрКГгШ SS:;: .-:a:-:| ESf ii i-v-Tr.. «.Аа.- ,;) К ; --и ля с коэффициентом усиления два, вторые входы п-2 ключей и третий вход первого ключа соединены с общей шиной, отличающийся тем, что, с целью повышения быстродействия и надежности, введены п-1 формирователей импульсов из положительного перепада напряжения, п-1 формирователей импульсов из отрицательного перепада напряжения, п-2 блоков управления коммутаторами , п-1 коммутаторов, первые и вторые входы каждого из которых соединены соответственно с шиной питания и общей шиной, третьи и четвертые входы первого коммутатора соеди (Л нены соответственно через .первый формирователь импульсов из положительного перепада напряжения и первый формирователь импульсов из отрицательного перепада напряжения с выходом первого компаратора и непосредственно с первыми входами соответственно первой и второй групп входов блоков управления коммутаторами , а третий и четвертый входы остальных коммутаторов соединены соответственно с выходами соответствующих блоков управления коммутаторами , пятый вход каждого т-го коммутатора соединен соответственно с выходом каждого 1-го разност ного усилителя с коэффициентом усиления два, а выход - с вторым входом соответствующего -го компаратора , кроме первого компаратора, выход каждого i-ro компаратора, кроме первого и п-го компараторов, через соответствующие формирователи импульсов из положительного и отри

С0103 СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСНИХ

РЕСПУБЛИК (l9) 01) 4g5>y H 03 M 1/44

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТИЙ (21) 3615930/24-21 (22) 07.07.83 (46) 23,04.85. Бюл. 11- 15 (72) А.И.Самойлов и Д.Н.Волынский (71) Уральский электромеханический институт инженеров железнодорожного транспорта (53) 681.325(088.8) (56) 1. Бахтияров Г.Д. Аналого-цифровые преобразователи, М. „,Советское .радио", 1980, с. 203, рис. 7.?7 а.

2. Балакай В.Г. Интегральные схемы АЦП и ЦАП. M., "Энергия", 1978, с. 53, рис. 1-15 (прототип). (54)(57) 1. АЯАЛОГО-ЦИФРОВОЙ ПРЕОБ-.

РАЗОВАТЕЛЬ, содержащий и -1 разностных усилителей с коэффициентом усиления два, где . — число разрядов преобразования, и -1 ключей, компараторов, первые входы которых соединены с выходом источника эталонного напряжения и первым входом первого ключа, второй вход первого компаратора соединен с выходом источника однополярного сигнала и первым входом первого раэностного усилителя с коэффициентом усиления два, выходы всех компараторов соединены с выходными шинами, выход первого компаратора соединен с вторым входом первого ключа, а выходы -2 компараторон соединены соответственно с первыми входами соответствующих и -2 ключей, выходы которьм соединены с первыми входами соответствующих и -2 разностных усилителей с коэффициентом усиления два, а выход первого ключа — с вторым входом первого разностного усилителя с коэффициентом усиления два, вторые входы и -2 ключей и третий вход первого ключа соединены с общей шиной, отличающийся тем, что, с целью повышения быстродействия и надежности, введены и-1 формирователей импульсов иэ положительного перепада напряжения, и-1 формирователей импульсов из отрицательного перепада напряжения, и-2 блоков управления коммутаторами, о -1 коммутаторов, первые и вторые входы каждого из которых соединены соответственно с шиной питания и общей шиной, третьи и четвертые входы первого коммутатора соединены соответственно через .первый формирователь импульсов из положительного перепада напряжения и первый формирователь импульсов из отрицательного перепада напряжения с выходом первого компаратора и непосредственно с первьми входами соответственно первой и второй групп входов блоков управления коммутаторами, а третий и четвертый входы остальных коммутаторов соединены соответственно с выходами соответствующих блоков управления коммутаторами, пятый вход каждого i-ro коммутатора соединен соответственно с выходом каждого i --го раэностного усилит ля с коэффициентом уси- ления два, а выход — с вторым входом соответствующего 3-го компаратора, кроме первого компаратора, выход кажцого i-го компаратора, кроме первого и и-го компараторов, через соответствующие формирователи импульсов из положительного и отри1152088 цательного перепадов напряжения соединен с соответствующими (-ми входами первой и второй групп входов каждого i -го блока управления коммутаторами, причем выход первого разностного усилителя с коэффициентом усиления два через по ледователь но соединенные и --3 разностных усилителя с коэффициентом усиления два соединен с вторым входом n -- 1--го раэностного усилителя с коэффициентом усиления два, при этом третьи входы и -2.ключей соединены с выходом источника эталонного напряжения.

Изобретение относится к вычислительной технике и может быть использовано в быстродействующих микроэлектронных аналого-цифровых преобразователях. 5

Известен аналого-цифровой преобразователь конвейерного типа, содержащий блок задержки, три трехраэмерных аналого-цифровых преобразователя, регистр сдвига 1 J. 19

Недостатком преобразователя является низкое быстродействие.

Наиболее близким к изобретению по технической сущности является аналого-цифровой преобразователь,содер- 15 жащий h компараторов, первые входы которых соединены с выходом источник; эталонного напряжения, второй вход первого компаратора — с выходом источника однополярного сигнала и пер- 20 вым входом. первого раэностного усилителя, а вторые. входы каждого из и-1 компараторов соединены с соответственно с выходом каждого разностного усилителя, выход каждого 25 компаратора соединен с соответствующей выходной шиной и первым входом каждого иэ и ключей, второй вход первого ключа соединен с выходом источника эталонного напряжения, а 30 вторые входы остальных ключей соединены с выходом первого компаратора, третьи входы - с общей шиной, а выходы — с первыми входами соответствующих разностных усилите- З5

2, Преобразователь по п.1, о т л и ч а ю шийся тем, что блок управления коммутаторами выполнен двухканальным, а каждый канал выполнен на последовательно соединенных элементах ИЛИ, ЗАПРЕТ и расширителе импульсов, выход которого подключен к второму входу элемента ЗАПРЕТ протнвоположного канала, при этом входы расширителей импульсов соединены с выходами блока управления коммутаторами, первая и вторая группы входов которого подключены к входам соответствующих элементов ИЛИ первого и второго каналов.

2 лей, кроме первого, второй вход которого соединен с выходом первого ключа, а второй вход каждого последующего раэностного усилителя соединен с выходом каждого предыдущего компаратора (1).

Недостатками преобразователя являются низкие быстродействие и надежность работы.

Целью изобретения является повышение быстродействия и надежности.

Поставленная цель достигается тем, что в аналого-цифровой преобразователь, содержащий h -1 разностных усилителей с коэффициентом усиления два, где n — - число разрядов преобразования, h -1 ключей, и компараторов, первые входы которых соединены с выходом источника эталонного напряжения и первым входом первого ключа, второй вход первого компаратора соединен с выходом источника однополярного сигнала и первым входом первого разностного усилителя, с коэффициентом усиления два, выходы всех компараторов соединены с выходными шинами, выход первого компаратора соединен с вторым входом первого ключа, а выходы и-2 компараторов соединены соответственно с первыми входами соответствующих

h -2 ключей, выходы которых соединекы с первыми входами соответствующих и-2 разностных усилителей с коэффициентом усиления два, а выход

1152088

25 первого ключа — с вторьвч входом первого разностного усилителя с коэффициентом усиления два, вт рые входы и -2 ключей и третий вход первого ключа соединены с общей шиной, введены и -1 формирователей импульсов из положительного перепада напряжения, и — 1 формирователей импульсов из отрицательного перепада напряжения и -2 блоков управления комму10 таторами,п-1 коммутаторов, первые и вторые входы каждого.из которых соединены соответственно с шиной питания и общей шиной, третьи и четвертые входы первого коммутатора соединены соответ15 ственно через первый формирователь импульсов из положительного перепада напряжения и первый формирователь импульсов из отрицательного перепада напряжения с выходом первого компаратора и непосредственно с первыми входами соответственно первой и второй группы входов блока управления коммутаторами, а третий и четвертый входы остальных коммутаторов соединены соответственно с выходами соответствующих блоков управления коммутаторами, пятый вход -го коммутатора соединен соответственно с выходом каждого 1-го разностного

30 усилителя с коэффициентом усиления два, а выход — с вторым входом соответствующего i-го компаратора, кроме первого компаратора, выход каждого i-ro компаратора, кроме пер- 35 ваго и и-го компараторов, через соответствующие формирователи импульсов из положительного и отрицательного перепадов напряжения соединены с соответствующими 1, -ми входами пер- 46 вой и второй групп входов каждого

i-го блока управления коммутаторами, причем выход первого разностного усилителя с коэффициентом усиления два через последовательно соединенные и-3 разностных усилителя с коэффициентом усиления два соединен с вторым входом и -1-го разностного усилителя с коэффициентом усиления .два, при этом третьи входы и -2 клю- 50 чей соединены с выходом источника эталонного напряжения, а блок управления коммутаторами выполнен двухканальным, и каждый канал выполнен на последовательно соединенных эле- 55 ментах ИЛИ, ЗАПРЕТ и расширитель импульсов, выход которого подключен к второму входу элемента ЗАНРЕТ противоположного канала, при этом входы расширителей импульсов соединены с выходами блока уп авления коммутаторами, первая и в рая группы входов которого подкл: лены к входам соответствующих элементов ИЛИ первого и второго каналов.

На фиг. 1 приведена структурная

I электрическая схема преобразователя, на фиг.2 — структурная электрическая схема блока управления коммутаторов; на фиг.3 — структурная элек- трическая схема коммутатора; на фиг.4 — временная диаграмма, где а . напряжение на входе ускпителя 2; б — напряжение на выходе первого компаратора 3; в - напряжение на выходе первого формирователя 6; г — напряжение на выходе формирователя 7; д — напряжение на выходе второго компаратора 3; е ж - напряжение на выходах первого блока 8; з — напряжение на выходе и -1-го компаратора 3.

Аналого-цифровой преобразователь содержит источник 1 однополярного сигнала n -I последовательно включенных разностнык усилителей 2 с коэффициентом усиления равным двум, и компараторов 3, источник 4 эталонного напряжения U, ключи 5 для подачи эталонного напряжения на соответствующие входы разностных усилителей, формирователи 6 импульсов из положительного перепада напряжения, формирователи 7 импульсов из отрицательного перепада напряжения, блоки 8 управления коммутаторами, коммутаторы 9.

Блок 8 содержит элементы ИЛИ 10, элемент ЗАПРЕТ 11, расширители 12 импульсов. Коммутатор 9 содержит резистор 13 н два ключа 14.

Источник 1 соединен с входом первого компаратора 3 и первого pasностного усилителя 2, которые соединены последовательно. Компараторы

3 соединены с ключами 5, коммутаторами 9 и источником 4. Формирователи 6 и 7 соединены с выходамн компараторов 3, с коммутаторами 9, блоками 8.

В блоке 9 элементы 10 через элементы 11 соединены с расширителями

12.

В коммутаторе 9 резистор 13 сое- динен с ключами 14.

1152088

Ф где

Аналого-цифровой преобразователь работает следующим образом.

На сигнальный вход компаратора 3

1-го разряда, кроме и -1-го, подается напряжение

u„,.-2(О„„„- (,,„U,), где ;, — значение разрядного коэффициента i+1-ro разряда ("0" или "1").

Компаратор 3 сравнивает U с этаО1 лонным U, . Если U ;> U» то компаратор 3 срабатывает, и на его выходе устанавливается положительный потенциал, соответствующий "1" с данном разряде. Этот потенциал открывает ключ 5 следующего (младшего) разряда, и на соответствующий вход разностного усилителя 2 подается эталонное напряжение U, которое вычитается из 0„;.

При сигналах, верхняя частота которых не выше (не имеющих перео падов бесконечной крутизны), логика работы преобразователя такова, что всегда при срабатывании компаратора

3 какого-либо каскада все следующие (младшие) компараторы должны "отпускать", (например, код 00...0111 переходит в код 000...1000). И,наоборот, ЗО при "отпускании" данного компаратора

3 все следующие должны срабатывать (например, код 00... 1000 переходит в код 00...0111). Учет этого обстоятельства позволяет повысить быстро- З действие преобразователя. Надо заставить срабатывать следующие компара торы параллельно, не дожидаясь, пока перепад напряжения от сработавшего компаратора пройдет последова- 40 тельно по каскадам разностных усилителей, вызывая волну срабатывания всех последующих комнараторов 3 с задержками на каждой ступени.

Из перепада напряжения на выходе 4S сработавшего ("отпустившего") компаратора 3 формирователем 6(7) формируется импульс управления коммутатором 9. Если импульс поступил с формирователя 6, то коммутатор замыка- 10 ет вход компаратора на "землю" и он

"отпускает". Если импульс поступал с фррмирователя 7, то коммутатор подает на вход компаратора а положительный потенциал, достаточный для у

I его срабатывания. Длительность импульсов должна быть достаточной для того, чтобы удерживать все следующие компараторы в нужном состоянии, пока перепад напряжения со входа разностных усилителей не установится на их выходе. Эту длительность можно определить по формуле о : граничная частота усиления разностногоусилителя

На управляющие входы коммутатора

9 каждого разряда, кроме п-2-го, импульсы с формирователей любого из предыдущих разрядов поступают через блок 8 данного разряда. На вход коммутатора и 2-го разряда импульсы поступают непосредственно с формирователей 6 и 7 ll -1-го разряда, Блок 8 работает следующим образом. При срабатывании ("о пускании") компаратора 3 любого из предыдущих разрядов на один иэ входов элемента

ИЛИ 10 данного разряда придет импульс от соответствующего формирователя 6 (7). С некоторой задерж1сой на входы другого элемента ИЛИ 10 придут импульсы от формирователей

7 (6) разрядов, находящихся между сработавшим (" отпустившим" ) и данным. К коммутатору 9 пройдет через элемент ЗАПРЕТ 11 только первый импульс, так как импульсы, пришедшие с задержкой на другой элемент 10, не пропустят элемент 11 (на его запрещающий вход уже поступил импульс с выхопа первого элемента через расширитель 12). Расширители 12 нужны для того, чтобы держать закрытый элемент после того, как импульс,пришедший первым, уже закончился, а пришедшие с задержкой на другой элемент 10 еще не закончились. Время, на которое должен быть расширен импульс, равно гриблизительно 10 нс, что соответствуе суммарному времени срабатывания коммутатора 9 и компаратора 3.

Коммутатор работает следующим образом.

При поступлении на управляющий вход импульса соответствующий ключ открывается и соединяет вход компаратора 3 либо с "землей", либо с положительным напряжением. .Технико-экономическое преимущество предлагаемого преобразователя по сравнению с известным заключается в повьиаении быстродействия в

1152088 и-,1 раэ эа счет параллельного форси рования работы усилителей и компараторов всех разрядов, так как время преобразования в этом случае определяется задержкой фронта лишь

8 одним усилителем,и не зависит от числа разрядов АцН

Надежность работы повышается за счет исключения ложных срабаты5 ваний компараторов.

Фиг.2

1152088

0m

ФигЗ

Составитель А.Титов

Редактор Н.Пузенкова Техред М.Кузьма Корректор С.1Некмар

Заказ 234!/44 Тира к 872 Подлисное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Филиал ППП "Патент", r. Ужгород, ул. Проектная, 4