Способ аналого-цифрового преобразования электрических сигналов

 

Изобретение относится к способам аналого-цифрового преобразования электрических сигналов и предназначено для кодирования мгновенных значений сигналов быстропротекающих процессов. Целью изобретения является повышение разрешающей способности преобразования при сохранении максимального быстродействия. Цель достигается тем, что по способу аналого-цифрового преобразования, основанному на сравнении преобразуемого сигнала с наборами уровней квантования и использовании результатов сравнения для формирования кода, сравнение преобразуемого сигнала производят одновременно со всеми наборами уровней квантования, каждый последующий из которых смещен относительно предыдущего на часть шага квантования, равную Δ/n , где Δ - шаг квантования в каждом наборе уровней; n - число наборов одинаковых по количеству уровней квантования. 1 ил.

Способ предназначен для кодирования мгновенных значений сигналов быстропротекающих процессов.

Известен способ аналого-цифрового преобразования, по которому измеряемый сигнал сравнивают параллельно с уровнями квантования, образующими шкалу с равномерным шагом [1]. Недостатком известного способа при его технической реализации является низкая разрешающая способность, обусловленная принципиальными техническими ограничениями при формировании многоразрядной шкалы квантов.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является способ аналого-цифрового преобразования электрических сигналов, основанный на сравнении преобразуемого сигнала с наборами уровней квантования и использовании результатов сравнения для формирования кода [2].

Целью изобретения является повышение разрешающей способности преобразования при сохранении максимального быстродействия.

Сущность изобретения заключается в том, что по способу аналого-цифрового преобразования, основанному на сравнении преобразуемого сигнала с наборами уровней квантования и использовании результатов сравнения для формирования кода, сравнение преобразуемого сигнала производят одновременно со всеми наборами уровней квантования, каждый последующий из которых смещен относительно предыдущего на часть шага квантования, равную Δ/n, где Δ - шаг квантования в каждом наборе уровней; n - число наборов одинаковых по количеству уровней квантования. В итоге общее число уровней квантования возрастает в n раз. Число уровней квантования в наборе устанавливают исходя из технических возможностей достижения максимального быстродействия преобразования, а также минимизации технологических затрат при получении максимальной разрядности одного набора уровней. Смещая эти наборы относительно друг друга в пределах одного шага квантовая Δ , получают в итоге разрешение, меньшее Δ в n раз, причем сравнение осуществляют одновременно, чем достигается предельно возможное быстродействие.

Способ моделируется группой прозрачных идентичных линеек с равным шагом квантования, наложенных плоскостями друг на друга, причем каждая линейка смещена относительно соседней на часть шага квантования. В итоге образуется совокупная шкала с более мелким шагом. В отличие от нониусной шкалы измерение с ее помощью осуществляют за одну операцию.

Способ может быть реализован аналого-цифровым преобразователем (АЦП), схема которого приведена на чертеже, где 1 - входная шина, 2 - источник опорного напряжения, 3 - резистивный делитель, 4 - компаратор, 5 - элемент развязки, 6 - источник напряжения смещения, 7 - дешифратор единичного кода, 8 - шина стробирования.

Количество разрядов, т.е. число ступеней резистивного делителя с параллельными компараторами, образующими р-разрядный блок кодирования, выбирают исходя из условия достижения максимального быстродействия, т.е. оптимальности тока через делитель при заданном предельном опорном напряжении, и минимизации погрешности. При этом шаг квантования по уровню составляет Δ . Для достижения разрешения в n раз лучшего необходимо использовать n идентичных кодирующих блоков, причем напряжение источника 6 в каждом последующем блоке смещается относительно напряжение источника 6 предыдущего блока на Δ/n. Тем самым смещаются опорные уровни каждой из групп компараторов относительно соседней на значение Δ/n. Иначе говоря, образуется ряд параллельных шкал, уровни с одинаковыми номерами которых смещены в пределах шага Δ . Но в отличие от нониусной шкалы, реализуемой в АЦП поразрядного сравнения и требующей последовательных операций отсчета, в рассматриваемом случае отсчет значения измеряемой величины выполняется за один такт по сигналу стробирования, поступающему на шину 8. Единичный (термометрический) код компараторов преобразуется (сжимается) дешифратором 7 в двоичный или двоично-десятичный код, например, по схеме, описанной в [2].

Выход каждого i-го компаратора (i=) S-го блока кодирования (s=) подключен к [(p˙ K) + S]-у входу дешифратора единичного кода, где р - число компараторов в блоке кодирования; К - коэффициент (K=).

При необходимости к первому из блоков кодирования подключают источник напряжения для коррекции нуля, а нули остальных блоков корректируют теми же источниками 6 напряжения смещения.

Напряжения смещения для развязки резистивных делителей могут задаваться либо отдельным активным источником в каждом блоке кодирования, либо при помощи делителя с общим активным источником и с повторителем напряжения для каждого бока кодирования, либо при помощи дополнительного резистора в делителе каждого блока кодирования, включаемого между соответствующим концом делителя и общей шиной. В последнем случае напряжение смещения образуется за счет падения напряжения на дополнительном резисторе при протекании тока через делитель, а требуемое напряжение смещения в каждом блоке кодирования задают выбором соответствующего сопротивления этого резистора. При этом может быть достигнута большая стабильность напряжения смещения с меньшими затратами по сравнению с использованием активных источников напряжения. Для развязки резистивных делителей блоков кодирования с целью уменьшения паразитной емкости эти делители подключены к опорному источнику 2 через элементы 5 развязки, например через повторители напряжений, через которые можно также осуществлять индивидуальную градуировку отдельных делителей по верхнему пределу преобразования.

При необходимости для развязки измерительных входов компараторов могут быть включены соответствующие широкополосные повторители во входной шине между группами компараторов блоков кодирования.

Предельное разрешение данного устройства ограничивается только шумами компараторов, т.е. превышает разрешение известных устройств, а его предельное быстродействие определяется задержкой компараторов и дешифратора, т.е. как и в малоразрядных быстродействующих АЦП.

Формула изобретения

СПОСОБ АНАЛОГО-ЦИФРОВОГО ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СИГНАЛОВ, основанный на сравнении преобразуемого сигнала с наборами уровней квантования и использовании результатов сравнения для формирования кода, отличающийся тем, что, с целью повышения разрешающей способности преобразования при сохранении максимального быстродействия, сравнение преобразуемого сигнала производят одновременно со всеми наборами уровней квантования, каждый последующий из которых смещен относительно предыдущего на часть шага квантования, равную Δ / n , где Δ - шаг квантования в каждом наборе уровней, а n - число наборов одинаковых по количеству уровней квантования.

РИСУНКИ

Рисунок 1