Аналого-цифровой преобразователь

 

Изобретение относится к вычислительной технике и автоматике и может быть использовано в цифровых системах автоматического управления для преобразования в цифровой код сигналов аналоговых датчиков. Целью изобретения является повышение быстродействия. Цель достигается тем, что в аналого-цифровой преобразователь, содержащий генератор, первый и второй компараторы, цифроаналоговй, регистр последовательных приближений, введены коммутатор, третий триггер, два одновибратора. В преобразователе осуществляются статистическая обработка выходных сигналов одного из компараторов при приближении сигнала обратной связи к входному сигналу, когда наиболее вероятны сбои от воздействия случайных помех, кроме того, ограничение длительности тактов преобразования и завершение выполнения алгоритма поразрядного уравновешивания по достижении заданной точности. 1 з.п.ф-лы, 1 табл., 5 ил.

СОЮЗ СОНЕтСНИХ

РЕСПУБЛИК др4 Н 03 М 1/38

ГОсудмРОТВенный кОмитет

ДО изоБРетениям и ОТКРьщ4ям

ПРИ ГННТ СССР (21) 4352885/24-24 (22) 29. 12. 87 (46) 07. 08. 89. Бюл. И - 29 (71) Уфимский авиационный институт им. Серго Орджоникидзе (72) А.И. Иванов, В.Ю. Казанцев, A.Н. Печенкин и С.H. Яковлев (53) 681.325(088.8) (56) Бахтиаров Г.Д. и др. Аналогоцифровые преобразователи. — 1980,. с. 175.

Авторское свидетвльство СССР

У 661783, кл. Н 03 М 1/38, 1976. (54) АНАЛОГО-ЦИФРОВОЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ (57) Изобретение относится к вычислительной технике и автоматике и может быть использовано в цифровых системах автоматического управления для преобразования в цифровой код сигналов аналоговых датчиков. Целью изобИзобретение относится к вычислительной технике и автоматике и может быть использовано в цифровых системах автоматического управления для преобразования в цифровой код сигналов аналоговых датчиков.

Цель изобретения — повышение быстродействия.

На фиг. 1 изображена функциональная схема аналого-цифрового преобразователя; на фиг. 2 — характеристика схемы сравнения; на фиг. 3 — временные диаграммы работы устройства; на фиг, 4 — график, показывающий процедуру выбора максимально допустимой

„SU.„1499495 А 1 ретения является повышение быстродействия. Цель достигается тем, что в аналого-цифровой преобразователь, содержащий генератор, первый и второй компараторы, цифроаналоговый преобразователь, регистр последовательных приближений, введены коммутатор, третий триггер, два одновиб ратора. В преобразователе осуществляются статистическая обработка выходных сигналов одного из компараторов при приближении сигнала обратной связи к входному сигналу, когда наиболее вероятны сбои от воздействия случайных помех, кроме того, ограничение длительности тактов преобразования и завершение выполнения алгоритма поразрядного уравновешивания по достижении заданной точности.

1 з.п.ф-лы, 5 ил., 1 табл. продолжительности такта преобразования; на фиг. 5 — реверсивный счетчик. «@

Аналого-цифровой преобразователь © (АЦП) содержит генератор 1 импульсов, О7 компаратор 2, цифроаналоговый преобразователь (ЦАП) 3, регистр 4 послеповательных приближений (РПП), компаратор 5, трй теры 6 и 7. элемент И 8, ), первый 9 и второй 10 элементы ИЛИ, реверсивный счетчик11, первый 12

Ъ

«и второй 13 одновибраторы, триггер

14, коммутатор 15.

Реверсивный счетчик 11 на микросхеме 564ИЕ11 показан на фиг. 5. Прн реализации устройства необходимо:учи3 14994 тывать полярность активных уровней сигналов.

Преобразователь работает следующим образом.

В исходном состоянии триггер 14 установлен, в РПП 4 хранится код предыдущего преобразования. Импульс на шине запуска инициирует начало работы АЦП. При этом сбрасываются триггеры 7 и 14.и через элемент ИЛИ

9 запускается одновибратор 13. Коммутатор 15, управляемый триггером 7, подключает к тактовому входу РПП 4 выход элемента И 8 ° Первый после запуска импульс генератора 1, проходя через элемент И 8 и коммутатор

15, устанавливает в РПП 4 код 01...11; соответствующий половине диапазона входного сигнала. На шине готовности устанавливается уровень логического нуля. На первом входе компаратора 2 присутствует измеряемый аналоговый сигнал U„, на втором входе - 25 сигнал обратной связи Б, вырабатываемый ЦАП 3 и пропорциональный выходному коду РПП 4. Логический выходной сигнал г компаратора 2 принимает значения = 1 при Uz > U и = О 30 при U (U и защелкивается в D-триггере 6 импульсами генератора 1. Компаратор 5 анализирует абсолютную величину разности lg U I = (Б > — U0 1è сравнивает ее с определенным порсговым значением Ь. При ДЩ (Ъ выходной сигнал Z компаратора 5 принимает значение Z = 1, при Д U ) b — значение Z - =О. Сигнал Z защелкивается в

D-триггере 7 задним фронтом импульса 40 одновибратора 12. D-триггер 7 управляет коммутатором 15 таким образом, что при Z = 1 РПП 4 тактнруется импульсами гереполнения реверсивного счетчика 11, при Z = О - импульсами гене- 45 ратора 1, прошедшими через элемент

И 8. РПП 4 реализует алгоритм поразрядного уравновешивания входного сигнала. На каждом такте уравновешивания определяется значение одного разряда выходного кода АЦП. В начале такта на выходе коммутатора 15 появляется импульс, тактирующий РПП 4, При этом в РПП 4 формируется новое значение кода, а в ЦАП 3 устанавлива-.55 ется пропорциональный этому коду сигнал U „ . Этот же импульс запускает одновибратор 12 и через элемент

ИЛИ 9 перезапускает одновибратор 13.

95 4

Импульс одновибратора 12 временно блокирует элемент И 8, запрещая прохождение импульсов генератора 1 на реверсивный счетчик 11 и коммутатор

15. Дпительность импульса одновибратора 120, выбирается равной времени окончания переходных процессов в

ЦАП 3 после изменения кода в РПП 4.

По окончании этого импульса в D-триггере 7 защелкивается сигнал Z, и происходит начальная установка реверсивного счетчика 11, в который заносится код 10 ... 00, если в этот момент сигнал ч =. 1 и код 01... 11, если < = О.

Рассмотрим случай, когда на очередном такте работы АЦП сигнал Z = 1, т.е, величина llU попала в зону +Ъ.

При этом коммутатор 15 подключит к тактовому входу РПП 4 выходреверсивного счетчика 1 1. На протяженчи од; ного такта код в РПП 4 и сигнал

ЦАП 3 П q не меняется, следовательно, разность между средним значением U „. и сигналом П является постоянной. Однако из-за наличия в сигнале U „, случайных помех возможно многократное изменение знака разности .dU за время такта и соответствующее изменение значения . Вероятность х фиксирования неверного отсчета (сбоя АЦП) возрастает с уменьшением величины (dU редц I и с увеличением дисперсии помехи Ь .

Переключение коммутатора 15 на выход реверсивного счетчика 11 увели- чивает длительность такта работы АЦП.

3а это время в триггере б послеповтельно фиксируется несколько выборок сигнала, каждая из которых вызывает увеличение или уменьшение состояния реверсивного счетчика 11 на единицу. Истинные значения сигнала более вероятны, следовательно, появляются более часто. Реверсивный счетчик 11, в начале такта установленный в среднее положение, через несколько периодов частоты генератора 1 переполнится, причем переполнение вызвано наиболее вероятным значением

Импульс переполнения через коммутатор 15 поступает на тактовый вход

РПП 4, в котором фиксируется значение, вызвавшее переполнение. Таким образом, в реверсивном счетчике

11 производятся накопление и статистическая обработка нескольких состояний сигнала y, и в качестве ис99495

6 выходе конца преобразования РПП 4 после выполнения алгоритма поразрядного уравновешивания.

Разрядность реверсивного счетчика

11 должна выбираться исходя из требуемого коэффициента подавления помехи. Чем больше разрядность счетчика 11, тем большее количество отсче10 тов сигнала f он может зафиксировать и обработать, следовательно, выше помехоустойчивость АЦП. В таблице 1 приведена зависимость коэффициента подавления случайной помехи,В от чис-!

5 ла разрядов и счетчика 11.

1

3

1,5 ... 1.7

2 0 ... 2 7

3.0 ... 4.7

5.3 ... 8.7

5 14 тинного выбирается значение су которое в течение такта чаще встречалось. За счет этого уменьшается вероятйость принятия неправильного реше ния при занесении значения очередного разряда кода в РПП 4, т.е. повышается помехоустойчивость AIQI.

В случае, когда величина (40(превышает величину порога Ъ, сигнал Z на выходе триггера 7 принимает значение Z = О, и коммутатор 15 переключается на выход элемента И 8. При этом статистическая обработка сигнала <, не производится, так как вероятность сбоя при больших рассогласованиях между U и U мала. Длительность такта преобразования в этом случае определяется одновибратором 12, так как первый импульс генератора 1 после окончания импульса одновибратора 12 произведет тактирование РПП 4. Одновибратор 13 предназначен для контроля и ограничения длительности такта преобразования. При очень малых значениях (DU значения вероятностей нулевого и единичного состояний сигнала близки друг к другу, эа счет этого время такта увеличивается, и становятся возможными ситуации, когда вследствие чередования нулевых и единичных значений g реверсивный счетчик 11 не может переполниться. Кроме того, снижается достоверность результатов статистической обработки сигнала . Одновибратор 13 запускается в момент начала рработы АЦП и перезапускается каждым импульсом, тактирующим РПП 4.

Длительность импульса одновибратора

13 Е выбирается равной максимально допустимой длительности одного такта работы АЦП. Если импульс одновибратора 13 после начала такта успеет закончиться, то устанавливается триггер 14, на шине готовности формируется единичный уровень, через элемент

И 8 запрещантся прохождение импульсов генератора 1, АЦП прекращает . работу до следующего импульса запуска.

Таким образом, процесс аналого-цифрового преобразования может закончиться за меньшее число тактов поразрядного уравновешивания. Если же рассмотренная ситуация в процессе преобразования не возникла, работа

АЦП заканчивается выдачей сигнала на

25 Значение частоты генератора 1 должно выбираться по временным или спектральным характеристикам помехи.

Соседние отсчеты сигнала q фиксируемые реверсивным счетчиком 11, 30 должны быть независимы, иначе эффективность подавления помехи снижается.

Это условие выполняется, если период частоты генератора 1 превышает интервал декорреляции помехи

35 — y Т

1 r где f — частота генератора 1;

Т вЂ” интервал декорреляции по1 мехи.

Величина зоны нечувствительности

+Ъ компаратора 5 выбирается, исходя из предполагаемой величины помехи д.

Статистическая обработка при /йБ/ >6 является нецелесообразной, так как вероятность сбоев АЦП в этом случае очень мала. Оптимальным значением Ь, при котором эффективность подавления помехи, не снижается, а лишние затраты времени исключены, является значение .Ъ = (2 ... 3) Ь

Максимально допустимая длительность одного такта преобразования, задаваемая длительностью импульса одновибратора 13, выбирается следующим образом. В условиях воздействия на вход АЦП случайных помех нормального вида с дисперсией Ь выходной код т

АЦП в первом приближении описывается

1499495

Длительность импульса одновибратора

13 выбирается равной

+ n„ гр

Например, при = 5 мкс, k = 1;

1 5

n = 4; Е „1 ИГЦ получаем „щ„=

5 3 Z rp э19э. Т Гр = 45 мкс3 g= = 50 мкс. Проведение статистической обработки .отсчетов выходного сигнала компаратора 2 при приближении сигнала обратной связи к входному сигналу, когда наиболее вероятны сбои АЦП при воздействии случайных помех, позволяет повысить помехоустойчивость преобразователя. Ограничение длительности тактов преобразования позволяет закончить работу преобразователя до завершения выполнения алгоритма поразрядного уравновешивания при достижении заданной точности.

Формула изобретения

1. Аналого-цифровой преобразователь, содержащий первый и второй ком55 параторы, первые входы которых объединены и являются входной шиной, вторые входы объединены и подключены нормально распределенной случайной величиной с дисперсией 6 АЦП, причем Ь„ = 4 /, где р — коэффициент подавления помехи (таблица ).

Если в процессе работы АЦП на каком5 либо такте величина Л О«(принимает значение меньшее, чем граничное значение 8U = 1с.1, п, где k =

0.5 ... 1, то можно считать, что код, сформированный к этому моменту . в РПП 4, с достаточной точностью оценивает величину входного сигнала

U„, а более точная оценка при продолжении работы АЦП не может быть получена. Следовательно, на этом такте надо заканчивать процесс преобразования. При известном значении помехи Ь и выбранной разрядности реверсивного счетчика 11 и среднее значение разности jdU, и средняя продолжительность статистической обработки Т связаны взаимно однозначно. На фйг. 4 изображена зависимость T«oT HHb Z = QU (b для различных значений и. Из графика (фиг, 4) определяется граничное значение Т„, соответствующее граничному вначенио е = — - — = k/p . (DU г I

rp к выходу цифроаналогового преобразователя, входы которого соединены с соответствующими информационными выходами блока управления и являются выходной шиной, а вход установки блока управления объединен с входами сброса первого и второго триггеров и является шиной запуска, информационный вход первого триггера соединен с выходом первого компаратора, два элемента ИЛИ, счетчик, генератор импульсов, отличающийся тем, что, с целью повышения быстродействия, в него введены элемент И, коммутатор, два одновнбратора, третий триггер, а счетчик выполнен реверсивным, управляющий вход которого объединен с информационным входом блока управления и подключен к выходу третьего триггера, информационный вход которого соединен с выходом второго компаратора, тактовый вход объединен с первым входом элемента И и подключен к выходу генератора импульсов, второй вход элемента И соединен с инверсным выходом второго триггера, третий вход объединен с входом синхронизации первого триггера, входом установки реверсивного счетчика и подключен к выходу первого одновибратора, вход которого объединен с первым входом первого элемента ИЛИ, с тактовым входом блока управления и подключен к выходу коммутатора, первый информационный вход которого подключен к выходу переполнения реверсивного счетчика, второй информационный вход объединен с тактовым входом реверсивного счетчика и подключен к выходу элемента И, а управляют вход соединен с выходом первого триггера, информационный вход второго триггера через второй одновибратор подключен к выходу первого элемента ИЛИ, второй вход которого является шиной запуска, прямой выход второго триггера соединен с первым входом второго элемента ИЛИ, второй вход которого подключен к шине конца преобразования блока управления, а выход является шиной готовности.

2, Преобразователь по и. 1, о тл и ч а ю шийся тем, что блок. управления выполнен на регистре последовательного приближения, входы и выходы которого являются одноимен,ными входами и выходами блока.

1499495

1499495

Puz 5

Составитель В. Иахнанов

Техред M,дидык Корректор С, Черни

Редактор И. Шулла

Заказ 4707/55 Тираж 884 Подписное

ВНИИПИ Государственного. комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

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

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул. Гагарина, 101

zu

f0 д

6.0,Ф 01 И fP ЯОЙ

Фиг. Ф