Аналого-цифровой преобразователь логического развертывания

 

Изобретение относится к электроизмерительной и вычислительной технике и может быть использовано для преобразования аналогового напряжения в код. Техническим результатом является повышение быстродействия АЦП за счет применения оптимальной логической процедуры подбора выходного кода, учитывающей статистические характеристики сигнала. Устройство содержит схему сравнения, блок выделения абсолютного значения, два компаратора, генератор тактовых импульсов, триггер, два элемента И, элемент НЕ, цифроаналоговый преобразователь, регистр, ПЗУ. 1 табл. , 2 ил.

Изобретение относится к электроизмерительной и вычислительной технике и может быть использовано для преобразования аналогового напряжения в код.

Известен аналого-цифровой преобразователь (АЦП) следящего типа, содержащий компаратор напряжения, генератор, элемент И, счетчик, источник опорного напряжения и цифроаналоговый преобразователь (ЦАП) (Микроэлектронные устройства автоматики: Учебн. пособие для вузов/ А. А. Сазонов, В. Т. Николаев и др. ; Под ред. А. А. Сазонова. - М. : Энергоатомиздат, 1991. -С. 153, рис. 2.29).

Недостатком устройства является увеличение времени преобразования при резких изменениях преобразуемого напряжения.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является АЦП последовательного приближения, содержащий схему сравнения (СС), на первый вход которого подается входное преобразуемое напряжение, а выход подключен к первому входу регистра последовательной аппроксимации (РПА), первые выходы которого подключены к входам цифроаналогового преобразователя (ЦАП) и одновременно являются выходами АЦП, выход ЦАП подключен к второму входу схемы сравнения, второй вход регистра последовательной аппроксимации является вторым входом АЦП, третий вход которого соединен с выходом элемента И, а второй выход - с вторым входом этого элемента, первый вход которого подключен к выходу генератора тактовых импульсов (Чернов В. Г. Устройства ввода-вывода аналоговой информации для цифровых систем сбора и обработки данных, - М. : Машиностроение, 1988, - С. 85, рис. 57, Функциональная схема и временные диаграммы АЦП последовательной аппроксимации).

Недостатком устройства является низкое быстродействие, поскольку не учитываются статистические характеристики сигнала.

Цель изобретения - повышение быстродействия АЦП за счет применения оптимальной логической процедуры подбора выходного кода, учитывающей статистические характеристики сигнала.

Поставленная цель достигается тем, что в АЦП последовательного приближения, содержащем схему сравнения (СС), на первый вход которой подается входное преобразуемое напряжение и являющийся первым входом устройства, а ко второму входу подключен выход ЦАП, входы которого соединены с выходами регистра и являются выходами устройства, генератор тактовых импульсов, выход которого подключен к первому входу элемента И, выход которого соединен с первым входом регистра, введены блок выделения абсолютного значения, первый и второй компараторы, триггер, второй элемент И, элемент НЕ и постоянное запоминающее устройство (ПЗУ), выходы которого подключены к третьим входам регистра, первые адресные входы соединены с выходами регистра, а второй адресный вход соединен с выходом второго компаратора, первый вход которого подключен к шине "земля", а второй вход соединен с выходом схемы сравнения и входом схемы выделения абсолютного значения, выход которой соединен с первым входом первого компаратора, второй вход которого является вторым входом устройства, а выход подключен к первому входу второго элемента И, второй вход которого соединен с выходом триггера и вторым входом второго элемента И, третий вход соединен с выходом элемента НЕ, а выход подключен ко второму входу триггера, первый вход которого является третьим входом устройства, выход генератора соединен с входом элемента НЕ, второй вход регистра является четвертым входом устройства.

Структурная схема предлагаемого устройства отличается от известного тем, что в нее введены блок выделения абсолютного значения, два компаратора, триггер, элемент И и элемент НЕ, постоянное запоминающее устройство, которые являются стандартными узлами аналоговой и цифровой вычислительной техники. Однако, несмотря на то, что введенные блоки являются стандартными узлами аналоговой и цифровой вычислительной техники, их введение, а также появление новых функциональных связей между ними и существующими блоками дает возможность проявиться в устройстве новому свойству. А именно: АЦП с логическим развертыванием позволяет уменьшить время преобразования измеряемой величины за счет применения оптимальной логической процедуры подбора кода с учетом вероятностных параметров измеряемой величины. Построение оптимальной процедуры подбора кода может быть произведено с помощью методов, известных в теории автоматического контроля, например, метода "половинного разбиения", метода время-вероятность и др. (Автоматизация радиоизмерений. Под ред. В. П. Балашова. - М. : Советское радио, 1966. -С. 428-463). Применение оптимальной процедуры позволяет уменьшить количество шагов при подборе кода, соответствующего входному напряжению, и, следовательно, повысить быстродействие АЦП. Кроме того, предложенное устройство позволяет производить преобразование входной аналоговой величины в цифровой код с заданной погрешностью.

Структурная схема АЦП приведена на фиг. 1, где 1 - схема сравнения; 2 - блок выделения абсолютного значения входного сигнала; 3, 4 - первый и второй компараторы; 5 - генератор тактовых импульсов; 6 - триггер; 7, 8 - первый и второй элементы И; 9 - элемент НЕ; 10 - цифроаналоговый преобразователь ЦАП; 11 - регистр; 12 - постоянное запоминающее устройство (ПЗУ).

Схема сравнения 1 предназначена для сравнения входного преобразуемого напряжения и напряжения с выхода ЦАП 10. С помощью блока выделения абсолютного значения 2 определяется абсолютное значение разности между входным преобразуемым напряжением U_вх и напряжением с выхода ЦАП 10. Первый компаратор 3 срабатывает, если величина напряжения на выходе блока выделения абсолютного значения 2 будет меньше уровня напряжения, поступающего на второй вход компаратора 3 со второго входа АЦП (на этот вход подается напряжение, которое задает максимальную погрешность преобразования Δ). Сигнал на выходе компаратора 3 фактически определяет момент окончания преобразования. С помощью второго компаратора 4 определяется, какое из напряжений больше по величине: входное преобразуемое напряжение или напряжение на выходе ЦАП 10. Генератор тактовых импульсов 5 предназначен для синхронизации работы АЦП. Триггер 6 определяет состояние, в котором находится АЦП. В первый момент с приходом импульса на третий вход АЦП "Пуск" триггер 6 переходит в состояние "I". По окончании преобразования триггер 6 переходит в состояние "0" по сигналу с выхода второго элемента И 8. Элемент И 7 разрешает прохождение импульсов с генератора 5 на вход записи регистра 11, когда АЦП находится в состоянии преобразования измеряемой величины. Второй элемент И 8 предназначен для выдачи импульса на управляющий вход триггера 6 и перевода его в состояние "0" по окончании цикла преобразования. Элемент НЕ 9 инвертирует импульсы с выхода генератора 5, благодаря чему исключается формирование импульса на выходе элемента И 8 (т. е. выдачу сигнала об окончании преобразования) из-за переходных процессов в АЦП. ЦАП 10 преобразует код, поступающий с выхода регистра 11, в аналоговое напряжение. Регистр 11 содержит текущее значение кода. Количество разрядов регистра 11 равно разрядности АЦП. В исходное состояние триггер 6 устанавливается подачей импульса на вход "Установка в исходное состояние" АЦП. Запись информации в регистр 11 производится подачей импульса на первый вход регистра 11. В постоянном запоминающем устройстве (ПЗУ) 12 хранится оптимальная последовательность значений кода. При этом текущий код с выхода регистра 11 поступает на младшие адресные разряды ПЗУ 12, а выход с компаратора 4 поступает на старший адресный разряд ПЗУ. Таким образом, код на выходе ПЗУ 12 зависит от уровня сигнала на выходе компаратора 4 (который определяется соотношением между входным преобразуемым напряжением и напряжением с выхода ЦАП 10). Перед работой АЦП в ПЗУ 12 должна быть записана необходимая последовательность кодов, в соответствии с которой будет производиться подбор кода для ЦАП 10.

Описание работы устройства рассмотрим для случая 4-х разрядного АЦП и при реализации логической процедуры подбора кода в соответствии с фиг. 2 (для примера использован метод половинного разбиения). В соответствии с фиг. 2 первоначально в регистр 11 записывается код, соответствующий числу 8. На следующем шаге, если напряжение на выходе ЦАП 11 будет превышать уровень преобразуемого напряжения U_вх, на выходе второго компаратора 4 будет логический уровень "0", и, следовательно в соответствии с фиг. 2 в регистр 11 будет записан код, соответствующий числу 4. Если же на выходе второго компаратора 4 будет логический уровень "I", следующим кодом будет число 12. Аналогично происходит выбор очередного значения кода в остальных случаях. Содержимое ПЗУ 12 при реализации указанной процедуры поиска приведено в таблице. Как видно из данных таблицы, если текущее значение кода в регистре 11 равно 8 и на выходе компаратора 2 будет уровень "0", на выходе ПЗУ 12 будет код, равный 4. Однако, если на выходе компаратора будет уровень "1", тогда на адресные входы ЗУ будет подан код, соответствующий числу 24. А по адресу 24 в ЗУ находится код числа 12. Аналогично заносятся коды в остальные ячейки ЗУ.

Процесс преобразования аналогового напряжения в цифровой код с помощью АЦП логического развертывания производится следующим образом.

После включения устройства в регистр 11 заносится начальное значение кода (в данном случае код числа 8) подачей импульса на вход "Установка в исходное состояние". На выходе ЦАП 10 устанавливается соответствующее напряжение, которое сравнивается с входным напряжением U_вх. Напряжение U_cc на выходе схемы сравнения 1 будет равно разности входного напряжения и напряжения с выхода ЦАП U_ЦАП: U_сс= U_вх-U_ЦАП. Полученное значение разности с помощью второго компаратора 4 сравнивается с нулевым значением. В зависимости от соотношения между входным напряжением и напряжением с выхода ЦАП 10 на выходе второго компаратора 4 будет логический уровень "0" или "1". Этот сигнал поступает на старший адресный разряд ПЗУ 12. Код на выходе ПЗУ 12 будет зависеть от текущего значения кода, записанного в регистр 11, поступающего на младшие разряды ПЗУ 12, и уровня сигнала на выходе второго компаратора 4. Таким образом на вход регистра 11 будет поступать различный код, зависящий от уровня сигнала на выходе компаратора 4, и соответственно от соотношения входного напряжения и напряжения на выходе ЦАП 10.

При подаче импульса на вход "Пуск" АЦП триггер 6 переводится в состояние "1" и разрешает прохождение импульсов с тактового генератора 5 через первый элемент И 7 на первый вход регистра 11. С приходом очередных импульсов на первый вход регистра 11 в него будет записываться очередное значение кода в соответствии с фиг. 2. Таким образом будет выполняться процедура подбора кода, которая определяется содержимым ПЗУ 12.

В том случае, если напряжение на выходе блока выделения абсолютного значения 2 будет меньше напряжения Δ, подаваемого на второй вход AЦП (уровень этого сигнала соответствует требуемому значению погрешности преобразования), сработает первый компаратор 3, а затем по окончании очередного импульса с тактового генератора 5 сработает второй элемент И 8 (импульсы на вход элемента И 8 поступают с выхода генератора 5 через элемент НЕ 9). Импульс с выхода элемента И 8 установит триггер 6 в исходное состояние и на этом процесс преобразования завершится. В регистре 11 будет записано значение кода, соответствующее преобразуемому напряжению с данной погрешностью преобразования. Выход с триггера 6 поступает на второй выход АЦП, тем самым сигнализируя о состоянии, в котором находится АЦП.

Если не будет подан импульс па вход "Установка в исходное состояние", при следующем цикле преобразования подбор кода будет производиться, начиная с кода, который был записан в регистре 11 при предыдущем преобразовании. Если преобразуемое напряжение U_вх изменится незначительно, то время преобразования, очевидно, уменьшится.

Следует заметить, что по достижении висячей вершины на фиг. 2, следующим значением кода в соответствии с данными таблицы будет исходное значение кода (в данном случае число 8), и процесс преобразования начнется с начального кода.

Таким образом, АЦП логического развертывания позволяет уменьшить время преобразования благодаря применению оптимальной процедуры подбора кода, учитывающей статистические характеристики сигнала. Кроме того, АЦП позволяет производить преобразование с заданной погрешностью.

Формула изобретения

Аналого-цифровой преобразователь, содержащий схему сравнения, первый вход которой, являющийся первым входом преобразователя, предназначен для подачи входного преобразуемого напряжения, а ко второму входу преобразователя подключен выход цифро-аналогового преобразователя (ЦАП), входы которого соединены с выходами регистра и являются первыми выходами преобразователя, генератор тактовых импульсов, выход которого подключен к первому входу первого элемента И, выход которого соединен с первым входом регистра, отличающийся тем, что в него введены блок выделения абсолютного значения, первый и второй компараторы, триггер, второй элемент И, элемент НЕ и постоянное запоминающее устройство (ПЗУ), выходы которого подключены к третьим входам регистра, первые адресные входы соединены с выходами регистра, а второй адресный вход соединен с выходом второго компаратора, первый вход которого подключен к шине "земля", выход разности входного напряжения и напряжения с выхода ЦАП схемы сравнения соединен со вторым входом второго компаратора и с входом блока выделения абсолютного значения, выход которого соединен с первым входом первого компаратора, второй вход которого является вторым входом преобразователя, а выход подключен к первому входу второго элемента И, второй вход которого соединен с выходом триггера, разрешающего прохождение импульсов с генератора тактовых импульсов через первый элемент И, третий вход второго элемента И соединен с выходом элемента НЕ, а выход подключен ко второму входу триггера, первый вход которого является третьим входом устройства, а выход триггера предназначен для сигнализации на втором выходе преобразователя о состоянии, в котором находится преобразователь, выход генератора тактовых импульсов соединен с входом элемента НЕ, второй вход регистра является четвертым входом устройства.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3