Аналого-цифровой преобразователь

 

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано в преобразователях аналогового сигнала в цифровой. Целью изобретения является повышение быстродействия. Преобразователь содержит входное устройство, генератор пилообразного напряжения, блок сравнения, блок управления, сумматор, аккумулятор и генератор опорной частоты. 2 ил.

Изобретение относится к аналого-цифровым преобразователям (АЦП) и может быть использовано в различных цифровых измерительных приборах и системах.

Известно довольно большое число различных типов АЦП [1, 2], среди которых наиболее быстродействующими являются параллельные АЦП. Последние, однако, имеют небольшое число разрядов, как правило не более 10, так как при увеличении разрядности требуется резкое увеличение числа компонентов. Известные методы увеличения количества разрядов при использовании параллельных АЦП сводятся либо к их параллельному включению, либо к организации на их основе параллельно-последовательных АЦП. При этом последние имеют уже существенно меньшее быстродействие из-за наличия в схеме аналоговых и цифроаналоговых схем, имеющих временные характеристики, значительно уступающие временным характеристикам параллельных АЦП.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому АЦП является выбранный в качестве прототипа АЦП с время-импульсной модуляцией [1], содержащий последовательно соединенные входное устройство, генератор пилообразного напряжения, формирующий импульс линейно-спадающего напряжения с амплитудой, равной измеряемому, блок сравнения напряжений, сравнивающий напряжение с выхода генератора пилообразного напряжения с некоторым пороговым напряжением, триггер, ключ и счетчик, а также блок управления и генератор опорной частоты. Триггер управляет ключом, через который импульсы с генератора импульсов опорной частоты поступают на счетчик, а схема управления предназначена для выработки сигналов начала преобразования и сброса счетчиков. Информация на выходе счетчика в конце цикла преобразования является цифровым эквивалентом измеряемого напряжения. Время преобразования такого АЦП равно времени изменения линейно изменяющегося напряжения от амплитудного значения до некоторого установленного порога.

Очевидно, что одним из основных недостатков такого АЦП является большое время преобразования, которое определяется ограниченным быстродействием счетчика.

Задача настоящего изобретения - уменьшение времени преобразования аналог-цифра преобразователя с время-импульсной модуляцией при сохранении широкого динамического диапазона.

Поставленная задача решается тем, что в АЦП с время-импульсной модуляцией, содержащий последовательно включенные входное устройство, генератор пилообразного напряжения и блок сравнения, а также блок управления и генератор опорной частоты, введен арифметический сумматор с аккумулятором, информационный вход которого подключен к выходу сумматора, вход первого операнда сумматора подключен к выходу блока сравнения, вход второго операнда сумматора подключен к выходу аккумулятора, один из выходов блока управления подключен к генератору пилообразного напряжения, другой - к генератору опорной частоты, выход которого подключен к управляющему входу аккумулятора, третий - к установочному входу аккумулятора, а блок сравнения выполнен как многопороговое устройство.

Блок сравнения напряжений в предлагаемом устройстве представляет собой сравнивающее устройство с 2ⁿ порогами сравнения, равномерно делящими диапазон измерения (U_ОВ - U_ОН), где n > 0, и преобразователь унитарного (термометрического) кода, имеющего место на выходе компараторов блока сравнения в двоичный n-разрядный код (параллельный АЦП). Число разрядов аккумулятора и сумматора равно n + N, при этом 2^N-число тактов суммирования (количество слагаемых, образующих результат в аккумуляторе).

В результате произведенных изменений время преобразования АЦП становится равным времени изменения линейно спадающего напряжения между двумя порогами сравнения многопорогового блока сравнения, т.е. время преобразования в предлагаемом АЦП уменьшается в 2ⁿ раз по сравнению с временем преобразования АЦП с время-импульсной модуляцией при измерении максимального сигнала. Динамический диапазон измеряемого напряжения - n + N двоичных разрядов.

Сопоставительный анализ с прототипом показывает, что заявляемое устройство отличается наличием новых блоков - арифметического сумматора с аккумулятором, и однопороговый блок сравнения заменен на многопороговый, содержащий в своем составе преобразователь унитарного кода в двоичный.

Сравнение заявляемого решения с другими техническими решениями показывает, что элементы устройства широко известны, однако при их введении в указанной связи с остальными элементами схемы в заявляемое устройство АЦП проявляют новые свойства, что приводит к повышению быстродействия преобразования аналог-цифра.

На фиг. 1 представлена блок-схема АЦП, где 1 - входное устройство, 2 - генератор пилообразного напряжения, 3 - блок сравнения, 4 - генератор опорной частоты, 5 - блок управления, 6 - арифметический сумматор, 7 - аккумулятор.

Измеряемое напряжение U_x поступает на входное устройство 1, выход которого подключен ко входу генератора пилообразного напряжения 2. Выходное напряжение с последнего поступает на вход многопорогового блока сравнения 3 с числом порогов 2ⁿ, равномерно делящими диапазон измеряемого напряжения, расположенный между верхним U_ОВ и нижним U_ОН порогами сравнения. При этом измеряемое напряжение должно находиться между U_ОВ и U_ОН. Многопороговый блок сравнения содержит внутри преобразователь унитарного кода, имеющего место на выходах компараторов блока сравнения, в n-разрядный двоичный. Выходной сигнал блока сравнения, представляющий собой n-разрядный двоичный код, подключен ко входу одного из операндов арифметического сумматора 6 с помощью n-разрядной шины. Ко входу второго операнда сумматора подключен выходной сигнал аккумулятора 7, представляющий собой n + N-разрядный код, с помощью n + N-разрядной шины, а выходной сигнал сумматора (n + N-разрядный код) подключен ко входу аккумулятора. Разрядность сумматора и аккумулятора равна n + N. Управление работой схемы обеспечивает блок управления 5, подключенный к управляющему входу преобразователя 2, установочному входу аккумулятора 7 и входу генератора опорной частоты 4, выход которого подключен ко входу управления записью аккумулятора 7.

Принцип работы АЦП пояснен на фиг. 2. Измерение начинается в момент времени T_Н. В этот момент времени по команде блока управления 5 генератор пилообразного напряжения 2 начинает вырабатывать напряжение, линейно спадающее от уровня, равного измеряемому напряжению U_X. Одновременно происходит запуск генератора опорной частоты 4 и установка в ноль аккумулятора 7. Напряжение с выхода генератора пилообразного напряжения 2 поступает на вход 2ⁿ-порогового блока сравнения 3, содержащего внутри 2ⁿ компараторов. За время измерения, равное 2^N периодов тактового генератора, происходит K = 2^N актов: сравнение напряжения на входе схемы 3 с порогами многопорогового блока сравнения; суммирование полученного результата в сумматоре 6 с содержимым аккумулятора 7; запись полученного результата в аккумулятор 7.

Измерение заканчивается в момент времени T_К. Период импульсов генератора опорной частоты T_О должен быть выбран таким, чтобы время измерения, равное T_К - T_Н = K · T_О, было бы равно времени изменения напряжения на входе блока 3 между двумя соседними порогами.

Для определенности, например, предположим, что n = 6, а N = 4, т.е. многопороговое сравнивающее устройство имеет 64 уровня сравнения, а число тактов измерения равно K = 2^N=16. На чертеже измерение начинается в момент времени T_Н, а заканчивается в момент времени T_К. Время измерения выбрано равным времени изменения линейно уменьшающегося напряжения между двумя соседними уровнями сравнения и равно 16 · T_О, где T_О - период генератора опорной частоты. В результате измерения в аккумуляторе сумматора окажется записанным число A, равное: A = K₁ · 62 + K₂ · 61 при этом K₁ + K₂ = 16. Это число A и является результатом преобразования. При изменении величины измеряемого напряжения U_X изменяется соотношение между количествами слагаемых K₁ и K₂ в результирующей сумме A. Например результаты двух измерений на границе разрешающей способности могут быть равными: A₁ = 10 · 62 + 6 · 61 = 986 при K₁ = 10 и K₂ = 6; A₂ = 9 · 62 + 7 · 61 = 985 при K₁ =9 и K₂ = 7.

В заключение следует заметить, что несоблюдение точного равенства K · T_О = T_К - T_Н приводит к увеличению дифференциальной нелинейности преобразователя, а неточности в межпороговых напряжениях (U_пор.i - U_пор.i-1) приводят к увеличению интегральной нелинейности преобразователя.

Формула изобретения

Аналого-цифровой преобразователь, содержащий последовательно включенные входное устройство, генератор пилообразного напряжения и блок сравнения, а также блок управления и генератор опорной частоты, отличающийся тем, что в него введены арифметический сумматор с аккумулятором, информационный вход которого подключен к выходу сумматора, вход первого операнда сумматора подключен к выходу блока сравнения, вход второго операнда сумматора подключен к выходу аккумулятора, один из выходов блока управления подключен к генератору пилообразного напряжения, другой - к генератору опорной частоты, выход которого подключен к управляющему входу аккумулятора, а третий - к установочному входу аккумулятора, а блок сравнения выполнен как многопороговое устройство.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2