Аналого-цифровой преобразователь

 

Изобретение может использоваться в устройствах автоматики. Каждый такт поразрядного уравновешивания начинается с кратковременного сброса .фильтра 6 посредством ключа 22 с поВход оналозобый Вход 0, ,cffpoe мощью одновибратора 21, после чего на конденсаторе 7 накапливается полезный сигнал рассогласования до тех пор, пока не сработает один из компараторов 3 или 4, образующих окно, ширина которого задается во времени формирователем порогового напряжения 11 (функциональным генератором). Если сигнал рассогласования меньше разрешающей способности АЦП, то реле времени 18 и триггер 19 формируют выходной сигнал Конец првобразова ния, в противном случае элементы ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ 5,17, ИЛИ 20 инициируют такт уравновешивания. За счет асинхронного режима работы АЦП увеличивается его быстродействие. 3 з.п. ф-лы, 1 ил. с с/: с с к tf ffOHCU пкоорати

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (д) 4 Н 03 M 1/46

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

J10

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТИЙ (21) 4029192/24-24 (22) 26.02,86 (46) 15.07.88. Бюл, ¹ 26 (71) Институт проблем управления (автоматики и телемеханики) (72) А.Ю. Погосов (53) 681.325(088.8) (56) Авторское свидетельство СССР № 839045, кл. H 03 M 1/46, 1978.

Авторское свидетельство СССР № 1349004, кл. Н 03 M 1/46, 1985. (54) АНАЛОГО-ЦИФРОВОЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ (57) Изобретение может использоваться в устройствах автоматики. Каждый такт поразрядного уравновешивания начинается с кратковременного сброса .фильтра 6 посредством ключа 22 с по,.SU„„1410271 А1 мощью одновибРатоРа 21, после hiего на конденсаторе 7 накапливается полезный сигнал рассогласования до тех пор, пока не сработает один из компараторов 3 или 4, образующих "окно", ширина которого задается во времени формирователем порогового напряжения

11 (функциональным генератором). Если сигнал рассогласования меньше разрешающей способности АЦП, то реле времени 18 и триггер 19 формируют выходной сигнал "Конец преобразова" ния", в противном случае элементы

ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ 5, 17, ИЛИ 20 инициируют такт уравновешивания. За счет асинхронного режима работы АЦП увеличивается его быстродействие. 3 з.п. 3 ф-лы, 1 ил.

aU>t-Ü Pt < U (t) (аБрЪ+Ъй, где а и Ь вЂ” коэффициенты, время от момента окончания выходного импульса одновибратора 21.

Коэффициент Ь зависит от спектральной плотности шума и указанной вероятности. Слагаемые вида aU характеризуют линейное интегрирование сигнала Up (с учетом усиления

-.îêà (УТ) 8 ),а слагаемые +Ъ.Š— диапазон изменения Uw(t), Равенство перешло в неравенство потому, что

U (t) является величиной случайной, и для нее можно лишь указать среднее значение в размах колебаний (аналогично дисперсии) с некоторой вероятностью.

Одновременно с изменением V (t) начинает увеличиваться выходное напряжение U формирователя порогового

П напряжения 11. На выходах парафазного усилителя 16 оно превращается в два напряжения: (+Ил) и (-U>), поступающие соответственно на вторые

1 1410

Изобретение относится к автоматике и может быть использовано в устройствах ввода аналоговой информации в цифровые вычислительные устройства.

Цель изобретения — повышение 5 быстродействия.

На чертеже приведена функциональная структурная схема ALH.

Устройство содержит цифроаналоговый преобразователь (ЦАП) 1, блок сравнения 2, выполненный на компараторах 3, 4 и элементе ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ

ИЛИ 5, фильтр 6, выполненный на конденсаторе 7 и усилителе тока (УТ) 8, регистр последовательного приближе15 ния (ВПП) 9, резистор 10, формирователь порогового напряжения 11, выполненный на ЦАП 12, запоминающем устройстве 13, счетчике 14, генераторе тактовых импульсов 15, парафазном усилителе 16, элемент ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ

HJIH 17, реле времени 18, триггер 19, элемент ИЛИ 20, формирователь импульсов (одновибратор) 21, ключ 22.

Устройство работает следующим

25 образом.

Для запуска устройства на вход

"Сброс" устройства должен быть подан короткий импульс. При этом регистр последовательных приближений 9 устанавливается в исходное состояние. "обнуляются все разряды РПП 9, кроме старшего. Начинается процесс установления выходного тока ЦАП 1. Тот же импульс сбрасывает триггер 19, и ,сигнал "Конец преобразования" на соответствующей выходной шине устрой,ства исчезает. Проходя через элемент

ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ 17, тот же входной импульс сброса устройства вызывает 1О кратковременное инвертирование логического уровня на выходе элемента 17, и отрицательный перепад сигнала на выходе элемента 17 запускает одновибратор 21. Одновибратор 21 вырабатыва- g5 ет положительный импульс, сбрасывающий в начальные состояния формирователь порогового напряжения 11 (в частности, счетчик 14) и фильтр 6 (например, путем шунтирования конден- 5О сатора 7 замкнутым ключом 22). Кроме того, выходной импульс одновибратора 21 перезапускает реле времени 18 °

Длительность выходного импульса одновибратора 21 установлена такой, чтобы к моменту его окончания не только успели полностью сброситься фильтр б и формирователь порогового напряжения 11, но и успело устана271 2 виться значение выходного тока ЦАП 1 с погрешностью, определяемой требуемым разрешением всего устройства.

С момента окончания выходного импульса одновибратора 21 начинается собственно процесс определения знака рассогласования между входным аналоговым сигналом и кодовым эквивалентом, имеющимся в РПП 9 (обозначим напряжение рассогласования, приведенное к аналоговому входу устройства, через U<). Прежде всего расшунтируется конденсатор 7 фильтра 6 и напряжение U на выходе фильтра 6 начинаФ ет нарастать по абсолютной величине от нулевого значения в положительную или отрицательную сторону в зависимости от знака U . Напряжение 0ф на выходе фильтра 6 содержит две компоненты: полезную U, связанную с величиной Up, и шумовую 0ш

Пф(") = Vñ,(") + U (t).

На характер зависимостей U,() и

Uш,(t) влияют импульсная характеристика фильтра б, а также закон распределения и частотный спектр шума, приведенного к аналоговому входу АЦП.

Для белого гауссового шума оптимальным (с точки зрения максимального положительного эффектв в АЦП) является интегратор, и выполняется с некоторой наперед заданной вероятностью неравенство

1410271

25 (4) 3 входы компараторов 3 и 4. Таким образом, формируется "окно" шириной

2У, . По программе, заложенной в запоминающее устройство 13, на выходе дополнительного ЦАП 12 формируется напряжение U (его ступенчатый ха,рактер слабо выражен из-за сравни-: тельно высокой частоты генератора тактовых импульсов 15). Заложенная в запоминающее устройство 13 программа изменения U„(t) соответствует зависимости амплитуды V (t) от времени. Для рассматриваемого случая (гауссовый белый шум)

U„(t) = Ь-Е + U, "Окно" расширяется с течением .времени в соответствии с ростом ожидаемой амплитуды шума. Добавка U> еще несколько увеличивает "окно" с тем, чтобы учесть возможную зону нечувствительности компараторов 3 и 4..

Поскольку с течением времени t составляющая V t (t ) растет быстрее (пропорционал ьно t) чем амплитуда

U (t ) (пр опорционально Я ), то в конце концов в момент времени один из к омпарат ор ов 3 или 4 переключается .

Для " к

Uо Ub

---- — (t (— — -- °

a(U ) a

P p к

Максимальное время задержки срабатывания блока сравнения 2 быстро увеличивается с уменьшением рассогласования входного сигнала и кодового эквивалента в РПП 9. Это свойство устройства используется для остановки процесса преобразования на любом 40 такте, если только U в этом такте окажется меньше желаемой разрешающей способности устройства Д Б. В этом случае реле времени 18, задержка срабатывания которого установлена 45 несколько больше максимального t при U О = В U, сработает раньше, чем переключится один из компараторов 3 или 4. Выходной положительный импульс реле времени 18 устанавливает триггер 19 и на выходной шине "Конец преобразования" появляется высокий логический уровень, который, поступая на третий вход элемента ИЛИ 20, запрещает прохождение каких-либо отрицательных перепадов на вход синхронизации РПП 9. Таким образом, процесс преобразования остановлен, и устройство ожидает нового запускающего им4 пульса по входу "Сброс", после поступления которого описанные процессы повторятся.

Если в рассматриваемом такте поразрядного уравновешивания U было достаточно велико, то один из компараторов 3 или 4 в зависимости от знака U< сработает раньше, чем сработает реле времени 18, сигнализируя о выходе Uy за пределы "окна". При этом логический уровень на выходе элемента ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ 5 обращается в нуль, соответствующий отрицательный перепад происходит через элемент ИЛИ 20, попадает на вход синхронизации РПП 9 и вызывает считывание выходного сигнала компаратора

3 (в этом смысле компараторы 3 и 4 равноправны) в РПП 9 через информационный вход последнего. Тот же отрицательный перепад проходит через элемент ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ 17, запускает одновибратор 21, выходной сигнал которого, воздействуя на второй вход элемента ИЛИ 20, переводит его выходной сигнал в состояние высокого уровня, далее процесс идет так же, как и при запуске АЦП внешним сигналом "Сброс", но уже следующего такта поразрядного уравновешивания (не происходит лишь сброса триггера 19— он и так стоит в нулевом состоянии) .

В дальнейшем ход процесса преобразования вновь зависит от того, что сработает раньше- один из компараторов 3 или 4 или реле времени 18.

Один из рассмотренных процессов повторяется и так далее.

В АЦП время преобразования зависит от преобразуемой величины. Например, процесс преобразования может закончиться даже на первом такте поразрядного уравновешивания, если преобразуемый сигнал близок к весу старшего разряда АЦП. Напротив, про-, цесс преобразования может продолжаться вплоть до последнего, самого младшего разряда устройства. Самым неблагоприятным с точки зрения быстродействия является случай, когда знаки чередуются от такта к такту. В наиболее неблагоприятных случаях значения (ряд значений) UP определяются соотношением (ы 2 +О 5(-1)"

-2.

P 3 где и — номер такта уравновешивания (nay О), 5 1

U< — напряжение кванта (младшего. разряда) АЦП, Обычно " Ф "ив 2

Из соотношения следует, что только в двух тактах (Ut) оказывается ! минимальным (по 0,5 Бк ), в остальных — больше. Учитывая, что макси1

1 мальные значения Ь обратно пропорциональны квадрату U<, можно сделать вывод, что основной вклад во время преобразования устройства вносит уравновешивание только в двух тактах, а не во всех, как у прототипа.

Таким образом, выигрыш по быстродействию у предлагаемого АЦП по сравнению с прототипом численно равен, по крайней мере, половине числа разрядов АЦП. Кроме того, устройство имеет при этом еще и большую разрешающую способность за счет оптимальной фильтрации сигнала при преобразова-! нии. Положительный эффект несколько снижаегся за счет задержек ключа 22, компараторов 3 и 4, элементов 5, 17, 20, триггера 19. Однако при современном уровне технологии эти задержки

1могут быть сделаны весьма малыми.

Предлагаемый АЦП может иметь время преобразования до 300-500 нс при

16 разрядах (практически - несколько большее), в то время как лучшие образцы АЦП поразрядного уравновешивания и параллельно последовательных

АЦБ имеют время преобразования в !

2-3 мкс при той же разрешающей способности.

Формула изобретения

1 ° Аналого-цифровой преобраз ователь, содержащий цифроаналоговый преобразователь, выход которого через токоограничивающий элемент, выполненный на резисторе, соединен с входной шиной, блок сравнения, первый .вход которого соединен с выходом ключа, информационный вход которого

I соединен с общей шиной, а управляющий вход — с выходом формирователя импульсов, первый выход блока сравнения соединен с информационным входом регистра последовательного приближения, выходы которого являются выходной шиной и соединены с соответствующими входами цифроаналогового преобразователя, о т л и ч а ю— шийся тем, что, с целью повышения быстродействия, в него введены фильтр, формирователь порогового на410?71 6

5

10 !

45 пряжения, реле времени, элементы ИЛИ и ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ и триггер, вход установки которого соединен с выходом реле времени, вход которого объединен с входом формирователя порогового напряжения и первым входом элемента ИЛИ и соединен с выходом формирователя импульсов, вход которого соединен с выходом элемента

ИСКЛ10ЧАЮЩЕЕ ИЛИ, первый вход которого соединен с выходом элемента ИЛИ и подключен к входу синхронизации регистра последовательного приближения, второй вход объединен с входами сброса регистра последовательного приближения и триггера и является шиной сброса, а выход триггера является шиной конца преобразования и соединен с вторым входом элемента

ИЛИ, третий вход которого соединен с вторым выходом блока сравнения, первый вход которого через фильтр подключен к выходу цифроаналогового преобразователя, второй и третий входы соединены с соответствующими первым и вторым выходами формирователя порогового напряжения.

2:. Преобразователь по п.1, о тл и ч а ю шийся тем, что фильтр выполнен на усилителе тока в конденсаторе, первый вывод которого является выходом фильтра и соединен с выходом усилителя тока, вход которого является входом фильтра, а второй вывод конденсатора соединен с общей шиной.

3. Преобразователь по п. 1, о тл и ч а ю шийся тем, что блок сравнения выполнен на двух компараторах и элементе ИСКЛ10ЧАЮЩЕЕ ИЛИ, входы которого соединены с выходами кампараторов соответственно, выход первого из которых является первым выходом блока, вторым выходом которого является выход элемента ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ, первые входы компараторов обьединены и являются первым входом блока, вторые входы первого и второго компараторов являются соответственно вторым и третьим входами блока, 4. Преобразователь по п. 1 „о тл и ч а ю ш и и с я тем, что формирователь порогового напряжения выполнен на последовательно соединенных генераторе тактовых импульсов, счетчике, запоминающем устройстве, цифроаналоговом преобразователе и парафазном усилителе, первый и второй выходы

1410271 которого являются первыми и вторым входом которого является вход сброса выходами формирователя соответственно, счетчика.

Тираж 928

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

1)3035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Производственно-полиграфическое предприятие, г. Ужгород, ул. Проектная, 4

Редактор Н.Горват

Заказ 3495/57

Составитель В.Махнаков

Техред Л.Сердюкова

Корректор Г.Решетник

Подписное