Многоканальный аналого-цифровой преобразователь

 

Изобретение относится к электроизмерительной и вычислительной технике и может быть использовано для преобразования аналогового напряжения в код. Техническим результатом является повышение быстродействия многоканальных аналого-цифровых преобразователей, что достигается применением оптимальной логической процедуры подбора кода, учитывающей статистические характеристики преобразуемых сигналов и время установления напряжения на выходе цифроаналогового преобразователя. Устройство содержит N информационных каналов, каждый из которых состоит из блока сравнения, триггеров, элемента И, элемента ИЛИ, а также шесть элементов И, элемент НЕ, генератор импульсов, триггер, одновибратор, вычитающий счетчик, регистр, цифроаналоговый преобразователь, постоянное запоминающее устройство, элемент ИЛИ. 4 ил., 1 табл.

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

Известен многоканальный аналого-цифровой преобразователь (АЦП), содержащий генератор импульсов, блок управления, счетчик, цифроаналоговый преобразователь (ЦАП), блоки сравнения, триггеры цикла, блок приоритетного прерывания, многовходовый элемент ИЛИ, оперативное запоминающее устройство, дешифратор номера канала, элементы ИЛИ (а.с. 930656, кл. Н 03 К 13/17, БИ 19, 1982 г.).

Недостатком устройства является его сложность, обусловленная в основном сложностью реализации блока приоритетного прерывания и блока управления.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является многоканальный АЦП, содержащий n информационных каналов, каждый из которых содержит блок сравнения, первые входы блоков сравнения объединены и соединены с выходом цифроаналогового преобразователя, второй вход каждого блока сравнения является соответствующей входной шиной, выходы блоков сравнения соединены с соответствующими первыми входами блока приоритетного прерывания, входы цифроаналогового преобразователя соединены с соответствующими выходами счетчика импульсов, счетный вход которого соединен с первым выходом блока управления, генератор импульсов, первый выход которого соединен с первым входом блока управления, второй вход которого соединен с первым выходом блока приоритетного прерывания, вторые выходы которого соединены с соответствующими входами преобразователя единичного кода в двоичный, выходы которого являются первой выходной шиной, одновибратор и элемент И, группа входов которого соединена с соответствующими третьими выходами блока приоритетного прерывания, вход соединен с первым выходом блока приоритетного прерывания, а выход через одновибратор соединен с вторым входом блока приоритетного прерывания, установочным входом счетчика, первым управляющим входом генератора импульсов и является второй выходной шиной, второй и третий выходы блока управления соединены соответственно с третьим и четвертым входами блока приоритетного прерывания, третий выход блока управления является третьей выходной шиной, второй выход генератора импульсов соединен с пятым входом блока приоритетного прерывания, второй управляющий вход генератора импульсов является управляющей шиной, выходы счетчика импульсов являются четвертой выходной шиной (а.с. СССР 1520656, кл. Н 03 М 1/38, б.и. 41, 1989 г., прототип).

Недостатком устройства является низкое быстродействие, поскольку не учитываются статистические характеристики сигналов на входе многоканального АЦП и время установления напряжения на выходе ЦАП. Принцип действия АЦП заключается в том, что на входе ЦАП с помощью счетчика последовательно формируются все возможные коды, начиная с нулевого. Благодаря этому на выходе ЦАП формируется ступенчато изменяющееся напряжение, которое одновременно сравнивается с входными напряжениями во всех измерительных каналах АЦП. При увеличении разрядности ЦАП (т.е. при увеличении точности АЦП) количество возможных комбинаций быстро растет (оно равно 2^N, где N - разрядность ЦАП), что снижает быстродействие многоканального АЦП.

Технический результат - повышение быстродействия многоканального АЦП за счет применения оптимальной логической процедуры подбора выходного кода, учитывающей как статистические характеристики сигнала, так и временные характеристики ЦАП (время установления напряжения на входе).

Поставленный технический результат достигается тем, что в многоканальный АЦП, содержащий n информационных каналов, каждый из которых содержит первый и второй триггеры, первый элемент И, блок сравнения, первые входы которых объединены и соединены с выходом цифроаналогового преобразователя (ЦАП), второй вход каждого блока сравнения является соответствующей входной шиной, генератор импульсов, одновибратор, со второго по седьмой элементы И, элемент НЕ, введены в каждый информационный канал первый элемент ИЛИ, третий триггер, второй элемент ИЛИ, вычитающий счетчик, регистр, постоянное запоминающее устройство (ПЗУ), в каждом информационном канале выход блока сравнения соединен с первым входом первого элемента ИЛИ и первым входом первого триггера, второй вход которого соединен с первым выходом второго триггера и первым входом первого элемента И, а выход - с первым входом второго триггера, выход первого элемента И соединен со вторым входом второго триггера, второй выход которого подключен ко второму входу первого элемента ИЛИ, третьи входы первых триггеров всех информационных каналов объединены и подключены к выходу четвертого элемента И, вторые входы первых элементов И всех информационных каналов объединены и подключены к выходу пятого элемента И, третьи входы вторых триггеров всех информационных каналов объединены и подключены к выходу одновибратора, выходы первых триггеров всех информационных каналов образуют первые выходы устройства.

Выходы первых элементов ИЛИ всех информационных каналов подключены к соответствующим входам второго элемента И, вторые выходы вторых триггеров всех информационных каналов подключены к соответствующим входам третьего элемента И, первый вход третьего триггера является управляющим входом устройства, второй вход третьего триггера соединен с выходом второго элемента ИЛИ, третий вход - с первым входом пятого элемента И, выходом шестого элемента И, первым управляющим входом регистра и первым управляющим входом вычитающего счетчика, выход третьего триггера является вторым выходом устройства и соединен с входом одновибратора и управляющим входом генератора импульсов, первый выход которого соединен со вторым управляющим входом вычитающего счетчика и с первым входом четвертого элемента И, второй выход генератора импульсов соединен с первым входом шестого элемента И, второй вход которого соединен с выходом вычитающего счетчика и вторым входом четвертого элемента И, третий вход которого соединен с выходом элемента НЕ, вход которого подключен к выходу второго элемента И и первому адресному входу постоянного запоминающего устройства, вторые адресные входы которого соединены с входами седьмого элемента И, входами цифроаналогового преобразователя и с выходами регистра, первые выходы соединены с информационными входами регистра, вторые выходы - с информационными входами вычитающего счетчика, третьи выходы являются третьими выходами устройства, четвертый выход соединен со вторым входом пятого элемента И, выход которого является четвертым выходом устройства, выход одновибратора соединен со вторым управляющим входом регистра и третьим управляющим входом вычитающего счетчика, выход седьмого элемента И соединен с первым входом второго элемента ИЛИ, второй вход которого подключен к выходу третьего элемента И.

Структурная схема предлагаемого устройства отличается от известного тем, что в него введены дополнительный триггер, вычитающий счетчик, элементы ИЛИ, регистр и постоянное запоминающее устройство (ПЗУ), которые являются стандартными узлами цифровой вычислительной техники. В качестве триггера может быть использована микросхема 155ТВ1, регистра - 555ИР13, вычитающего счетчика - 155ИЕ6, ПЗУ - 555РЕ4 (Аванесян Г.Р., Левшин В.П. Интегральные микросхемы ТТЛ, ТТЛШ: Справочник. - М.: Машиностроение, 1993, - с. 160, 172, 190, 207). Однако, несмотря на то, что введенные блоки являются стандартными узлами 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 позволяет уменьшить время преобразования измеряемой величины за счет применения оптимальной процедуры подбора кода, учитывающей как вероятностные характеристики измеряемой величины, так и временные характеристики цифроаналогового преобразователя (время установления выходного напряжения). Построение оптимальной процедуры подбора кода может быть произведено с помощью методов, известных в теории автоматического контроля и поиска неисправностей (Пашковский Г. С. Задачи оптимального обнаружения и поиска отказов в РЭА/ Под. ред. И.А. Ушакова. - М. : Радио и связь, 1981. - 280 с.). Применение оптимальной процедуры позволяет уменьшить время, затрачиваемое на подбор кода, соответствующего входным напряжениям каждого информационного канала, и, следовательно, повысить быстродействие многоканального АЦП.

Структурная схема АЦП приведена на фиг.1, где 1 - блок сравнения; 2 и 3 - первый и второй триггеры; 4 - первый элемент ИЛИ; 5, 6, 7, 8, 9, 10 - элементы И с первого по шестой; 11 - элемент НЕ; 12 - генератор импульсов; 13 - третий триггер; 14 - одновибратор; 15 - цифроаналоговый преобразователь (ЦАП); 16 - регистр; 17 - вычитающий счетчик; 18 - постоянное запоминающее устройство (ПЗУ); 19 - седьмой элемент И; 20 - второй элемент ИЛИ. Блок сравнения 1, первый и второй триггеры 2 и 3, первый элемент ИЛИ 4, первый элемент И 5 составляют информационный канал 21.

Блок сравнения 1 предназначен для сравнения входного преобразуемого напряжения U_ВХ и напряжения с выхода ЦАП 15 - U_ЦАП. Если U_ВХ>U_ЦАП, на выходе блока сравнения 1 появится сигнал, соответствующий логической единице, в противном случае - логическому нулю.

Первый 2 и второй 3 триггеры, первый элемент ИЛИ 4 и первый элемент И 5 составляют логику управления информационным каналом 21. В первый триггер 2 записывается информация с выхода блока сравнения 1 при поступлении на третий вход первого триггера 2 переднего фронта импульса с выхода четвертого элемента И 8. Запись возможна только в том случае, если второй триггер 3 находится в нулевом состоянии, т.е. уровень на его первом выходе (инверсном) соответствует логической единице, поскольку этот сигнал поступает на второй вход (вход установки в единичное состояние) первого триггера 2. Второй триггер 3 в начале работы устройства устанавливается в нулевое состояние. Когда преобразование входного аналогового напряжения в код в данном информационном канале будет закончено, второй триггер 3 переводится в единичное состояние (задним фронтом импульса с выхода первого элемента И 5). Нулевой уровень с первого (инверсного) выхода второго триггера 3 переведет первый триггер 2 в единичное состояние, после чего данный информационный канал участвовать в дальнейшей работе устройства не будет. Когда преобразование будет завершено во всех информационных каналах (т.е. все вторые триггеры 3 будут находиться в единичном состоянии и на их втором выходе установится уровень логической единицы), сработает третий элемент И 7, по сигналу с которого работа устройства закончится. Второй элемент И 6 вместе с первыми элементами ИЛИ 4 каждого информационного канала предназначены для управления процессом подбора кода. На выходе второго элемента И 6 появляется уровень, соответствующий логической единице, когда напряжение на входе всех информационных каналов превышает напряжение с выхода ЦАП 15.

Четвертый элемент И 8 предназначен для выдачи импульса на третий вход первого триггера 2 всех информационных каналов, по которому триггеры 2 устанавливаются в состояние, соответствующее сигналу на выходе соответствующего блока сравнения 1. Импульс на выходе четвертого элемента И 8 формируется при подаче на его первый вход импульса с первого выхода генератора импульсов 12 при наличии сигнала логической единицы на выходе вычитающего счетчика 17 (содержимое счетчика 17 равно нулю) и наличии сигнала логической единицы на выходе элемента НЕ 11 (если хотя бы в одном информационном канале уровень входного напряжения меньше напряжения, поступающего с выхода ЦАП 15).

Пятый элемент И 9 предназначен для выдачи импульса на второй вход первого элемента И 5 всех информационных каналов. По сигналу с выхода первого элемента И 5 во второй триггер 3 переписывается информация с инверсного выхода первого триггера 2. Заметим, что это возможно только в том случае, когда второй триггер 3 находится в нулевом состоянии, поскольку сигнал с его первого выхода (инверсного) поступает на первый вход первого элемента И 5 (т. е. в том случае, когда преобразование в данном информационном канале не закончено). Импульс на выходе пятого элемента И формируется при приходе импульса с выхода шестого элемента И 10 и при наличии логической единицы на третьем выходе ПЗУ 18 (преобразование в каком-либо информационном канале закончено).

Шестой элемент И 10 формирует импульс при приходе на его первый вход импульса со второго выхода генератора импульсов 12 и наличии уровня логической единицы на выходе вычитающего счетчика 17 (когда содержимое вычитающего счетчика 17 будет равным нулю).

Генератор импульсов 12 предназначен для синхронизации работы устройства. Он представляет собой двухфазный генератор прямоугольных импульсов, причем импульсы на его втором выходе смещены во времени относительно импульсов на его первом выходе.

Третий триггер 13 предназначен для фиксации начала процесса преобразования и его окончания. При подаче на его первый вход сигнала "Пуск" третий триггер 13 устанавливается в единичное состояние и начинается процесс преобразования. По приходе импульса с выхода шестого элемента И 10 и наличии уровня логической единицы на выходе второго элемента ИЛИ 20 (процесс преобразования во всех информационных каналах закончен) третий триггер 13 устанавливается в нулевое состояние и процесс преобразования заканчивается.

Одновибратор 14 предназначен для выработки импульса в самом начале процесса преобразования. При этом импульс с его выхода поступает на второй управляющий вход регистра 16 и третий управляющий вход вычитающего счетчика, по которому регистр 16 обнуляется, а в вычитающий счетчик 17 записывается единица. Импульс с выхода одновибратора 14 также поступает на третий вход (вход установки в нулевое состояние) второго триггера 3 всех информационных каналов, по которому вторые триггеры 3 переводятся в нулевое состояние.

ЦАП 15 предназначен для преобразования цифрового кода, подаваемого на его вход, в соответствующий уровень выходного аналогового напряжения.

Регистр 16 предназначен для хранения текущего значения выходного кода. По заднему фронту импульса, поданного на первый управляющий вход (вход записи) регистра 16, в него записывается информация с первых выходов ПЗУ 18. Второй управляющий вход регистра 16 используется для его обнуления.

Вычитающий счетчик 17 предназначен для формирования интервала времени, соответствующего времени установления напряжения на выходе ЦАП 15 для текущего кода. После записи в вычитающий счетчик 17 некоторого числа на его второй управляющий (вычитающий) вход начинают поступать импульсы с первого выхода генератора импульсов 12. С приходом каждого импульса содержимое вычитающего счетчика 17 уменьшается на единицу. При обнулении счетчика 17 на его выходе появляется уровень, соответствующий логической единице, который указывает на то, что напряжение на выходе ЦАП достигло установившегося значения. Пусть для данного кода К_i (поданного на вход ЦАП 15) время установления выходного напряжения ЦАП составляет Т_i, а период импульсов, поступающих с генератора 12, составляет Δt. Тогда в вычитающий счетчик 17 необходимо записать число N_СЧi, равное N_СЧi= T_i/Δt. Запись в вычитающий счетчик 17 какого-либо значения производится со вторых выходов ПЗУ 18 при поступлении на первый управляющий вход (вход записи) импульса с выхода шестого элемента И 10. При подаче импульса на третий управляющий вход вычитающего счетчика 17 его содержимое становится равным единице.

ПЗУ 18 предназначено для хранения цифровых кодов, используемых в процессе выполнения процедуры подбора выходного кода. В ПЗУ 18 также хранятся значения задержек для всех используемых кодов (соответствующих времени установления напряжения на выходе ЦАП 15). Содержимое ПЗУ определяется выполняемой процедурой подбора кода. На фиг.2 в виде графа изображен один из возможных вариантов процесса подбора кода для 4-разрядного АЦП. В соответствии с фиг.2 процесс начинается с проверки кода, соответствующего числу 6 (верхняя корневая вершина). Если хотя бы в одном информационном канале входное напряжение меньше напряжения, поступающего с выхода ЦАП 15, происходит переход по ребру с меткой 0, в данном случае производится переход к вершине 4. В противном случае (напряжение на входе всех информационных каналов больше напряжения, поступающего с ЦАП 15) происходит переход к вершине 8 по ребру с меткой 1. Процесс продолжается до достижения какой-либо висячей вершины. При этом напряжению в информационном канале, для которого преобразование закончено (как правило, имеющему наименьшее значение), ставится в соответствие код, указанный на фиг.2 в прямоугольнике. После этого данный информационный канал отключается и в дальнейшем не влияет на работу устройства. Из висячей вершины происходит переход на предыдущий уровень, эти переходы обозначены пунктирной стрелкой. Процесс продолжается до тех пор, пока не будет закончено преобразование во всех информационных каналах. Например, пусть на вход первого информационного канала подано напряжение, соответствующее коду числа 9, на вход второго и третьего каналов - напряжение, соответствующее числу 8, и на вход четвертого информационного канала - напряжение, соответствующее коду числа 6. Тогда последовательность проверяемых кодов будет соответствовать графу, изображенному на фиг.3.

Содержимое ПЗУ 18 для 4-разрядного многоканального АЦП приведено в таблице.

Используемые коды в процессе подбора записаны в ПЗУ 18 в виде последовательности слов. Адреса слов приведены во втором столбце "Адрес". Значение адреса приведено как в десятичной форме, так и в двоичной (в скобках). В двоичной форме записи адреса старший бит отделен пробелом, он формируется сигналом с выхода второго элемента И 6.

Каждое слово имеет четыре поля. Первое поле "Код" содержит текущий код, используемый на данном шаге подбора выходного кода (в таблице приведено десятичное значение этого кода и в скобках - его двоичное представление). Поле "Задержка" содержит число, пропорциональное времени установления ЦАП 15 для соответствующего кода из поля "Код" (в данном случае принято, что это время пропорционально разнице между предыдущим и текущим кодом, например при переходе от вершины 8 к вершине 6 задержка равна 2). Поле "Выходной код" содержит значение кода, который будет поставлен в соответствие напряжению информационного канала, преобразование в котором закончено. Поскольку выходной код выдается лишь при достижении висячей вершины, поэтому это поле не везде заполнено (для других вершин оно может иметь произвольное значение). Поле "Признак окончания" указывает на то, что текущий код соответствует на фиг.2 висячей вершине (для висячей вершины это поле содержит единицу).

Седьмой элемент И 19 формирует на своем выходе уровень логической единицы, если в качестве текущего кода используется последняя возможная комбинация (код во всех разрядах содержит единицы), а преобразование во всех каналах до сих пор не закончено. Это возможно, например, при подаче на вход какого-либо информационного канала напряжения, превышающего максимально возможное напряжение на выходе ЦАП 15. Сигнал логической единицы с выхода седьмого элемента И 19 поступает через второй элемент ИЛИ 20 на второй вход третьего триггера 13, благодаря чему триггер переходит в нулевое состояние и процесс преобразования заканчивается. Сигнал логической единицы на выходе второго элемента ИЛИ 20 появится также после завершения преобразования во всех информационных каналах, когда вторые триггеры 3 во всех информационных каналах 21 будут переведены в единичное состояние и сработает третий элемент И 7.

Рассмотрим работу устройства при выполнении процедуры подбора кода в соответствии с фиг.2 для следующего конкретного случая. Разрядность АЦП - 4. Количество информационных каналов 4. Диапазон выходного напряжения на выходе 4-разрядного ЦДП 15 составляет 10 V. Для 4-разрядного АЦП в этом случае ступень квантования равна ΔU = 10V/2⁴= 10V/16 = 0,625V. Это означает, что при подаче на вход ЦАП 15 кода, например, равного 8, на его выходе будет напряжение U_ЦАП= 8•0,625=5 V. Предположим также, что на вход первого информационного канала АЦП подано напряжение U_ВХ1=5,7 V, на вход второго - U_ВХ2= 5,2 V, третьего - U_ВХ3=5,1 V и на вход четвертого информационного канала - напряжение U_ВХ4= 4,2 V. Работа устройства поясняется временной диаграммой, приведенной на фиг.4.

В исходном состоянии третий триггер 13 находится в нулевом состоянии. При подаче на его первый вход ("Пуск") импульса он переходит в единичное состояние, что означает начало процесса аналого-цифрового преобразования. На выходе триггера 13 появляется уровень, соответствующий логической единице (на фиг.4 момент t₁), который поступит на вход одновибратора 14, на его выходе формируется короткий импульс, который обнуляет регистр 16, записывает в вычитающий счетчик 17 единицу и переводит вторые триггеры 3 всех информационных каналов 21 в нулевое состояние. Нулевой код с выхода регистра 16 поступит на вторые адресные входы ПЗУ 18. При этом, независимо от значения сигнала на первом адресном входе ПЗУ 18, на первых и вторых выходах ПЗУ 18 появится код числа 6 (таблица, строка 1 или 17). Уровень логической единицы с выхода третьего триггера 13 также поступит на управляющий вход генератора импульсов 12 и он начнет выдавать импульсы на первом и втором выходах. Первый импульс появится на первом выходе генератора импульсов 12 и он поступит на второй (вычитающий) вход вычитающего счетчика 17. Поскольку в вычитающем счетчике 17 была записана единица, содержимое его станет равным нулю и уровень логической единицы появится на его выходе, который поступит на второй вход шестого элемента И 10. С приходом импульса со второго выхода генератора импульсов 12 на первый вход шестого элемента И 10 он сработает, на его выходе появится импульс, по заднему фронту которого в регистр 16 и вычитающий счетчик 17 запишется код числа 6 с первых и вторых выходов ПЗУ 18 (на фиг. 2 это соответствует вершине 6). Код числа 6 с выхода регистра 16 поступит на вход ЦАП 15 и на его выходе установится напряжение U_ЦАП=6•0,625=3,75 V (на фиг.4 момент t₂), которое поступит на первые входы блоков сравнения 1 всех информационных каналов 21. В данном случае входные напряжения на входах всех информационных каналов 21 превышают напряжение на выходе ЦАП 15, и на выходах блоков сравнения 1 всех информационных каналов 21 сформируется уровень логической единицы. Соответственно уровень логической единицы появится на выходе всех первых элементов ИЛИ 4 и соответственно на всех входах второго элемента И 6. Второй элемент И 6 сработает и уровень логической единицы будет установлен на первом адресном входе ПЗУ 18. Учитывая, что на его вторых адресных входах установлен код числа 6 (с выхода регистра 16), на первых выходах ПЗУ 18 установится код числа 8, а на вторых выходах - код числа 2 (таблица, строка 23, столбцы 3 и 4).

После того, как содержимое вычитающего счетчика 17 станет равным нулю (на его второй управляющий вход (вход вычитания) постоянно поступают импульсы с первого выхода генератора импульсов 12) и на его выходе появится уровень логической единицы, с приходом импульса со второго выхода генератора импульсов 12 сработает шестой элемент И 10 и импульс с его выхода поступит на первые управляющие входы (входы записи) регистра 16 и вычитающего счетчика 17. По заднему фронту этого импульса в вычитающий счетчик 17 будет записано число, равное двум, - задержка при переходе от кода 6 к коду 8. В регистр 16 будет записан код числа 8 (с первых выходов ПЗУ), который поступит на вход ЦАП 15, на выходе которого сформируется напряжение U_ЦАП= 8•0,625=5,0 V (на фиг.4 момент t₃).

Теперь напряжение на входе четвертого измерительного канала 21 (и только на нем) меньше, чем на выходе ЦАП 15. После того, как на выходе вычитающего счетчика установится уровень логической единицы и сработает четвертый элемент И 8, первый триггер 2 четвертого информационного канала установится в нулевое состояние и на его выходе (инверсном) установится уровень логической единицы. Поскольку на первом адресном входе ПЗУ 18 будет уровень логического нуля, а на вторых адресных входах - код числа 8, на первом выходе ПЗУ установится код числа 7, а на вторых выходах - код числа 1 (таблица, строка 9). С приходом импульса со второго выхода генератора импульсов 12 сработает шестой элемент И 10, и сигналу с его выхода в вычитающий счетчик 17 запишется единица, а в регистр 16 - код числа 7. Код с выхода регистра 7 поступит на вход ЦАП 15 и на его выходе установится напряжение U_ЦАП=7•0,625= 4,375 V (на фиг.4 момент t₄).

Напряжение на входе четвертого информационного канала опять меньше, чем на выходе ЦАП 15, поэтому на выходе второго элемента И 6 и, следовательно, на первом адресном входе ПЗУ будет логический уровень "0". Учитывая, что на вторых адресных входах ПЗУ 18 код числа 7, то третьих выходах ПЗУ установится код числа 6, и одновременно на четвертом выходе ПЗУ 18 установится уровень логической единицы (таблица, строка 8, столбцы 5 и 6). После того, как содержимое вычитающего счетчика 17 станет равным нулю, с приходом второго импульса с выхода генератора импульсов 12 сработает шестой элемент И 10, затем пятый элемент И 9, импульс с выхода которого поступит на четвертый выход устройства, по которому какими-либо внешними устройствами может быть зафиксирован результат преобразования для четвертого информационного канала 21 с третьих выходов ПЗУ 18 (в данном случае код числа 6), при этом номер информационного канала в единичном позиционном коде поступит на первые выходы устройства (в нулевом состоянии будет находится первый триггер 2 только четвертого информационного канала, а поскольку используется инверсный выход первого триггера 2, то на соответствующей шине будет уровень логической единицы). Импульс с выхода пятого элемента И 9 также поступит на второй вход первого элемента И 5 каждого информационного канала 21, и информация с инверсного выхода первого триггера 2 будет переписана во второй триггер 3. Поскольку первый триггер 2 находится в нулевом состоянии только в четвертом информационном канале, то соответственно только в этом информационном канале второй триггер 3 перейдет в единичное состояние, при этом нулевой уровень с его первого (инверсного) выхода переведет первый триггер 2 этого же информационного канала в единичное состояние, заблокирует первый элемент И 5 и установит уровень логической единицы на выходе первого элемента ИЛИ 4, в результате чего в дальнейшем логика четвертого информационного канала не будет влиять на работу устройства.

По заднему фронту импульса с выхода шестого элемента И 10 в регистр 16 будет записано следующее значение кода с первых выходов ПЗУ 18, а именно код числа 8 (таблица, строка 8, столбец 3). На выходе ЦАП 15 установится напряжение U_ЦАП= 8•0,625= 5,0 V (на фиг.4 момент t₅). На фиг.2 это соответствует возврату из вершины 7 в вершину 8.

Аналогично подходит подбор выходного кода для остальных информационных каналов. Заметим только, что для второго и третьего информационных каналов преобразование закончится одновременно (на фиг.4 момент t₈).

После того, как закончится преобразование во всех информационных каналах, вторые триггеры 3 всех информационных каналов 21 будут установлены в единичное состояние, соответственно сработает третий элемент И 7, затем второй элемент ИЛИ 20, уровень логической единицы с выхода которого поступит на второй вход третьего триггера 13. С приходом импульса с выхода шестого элемента И 10 по его заднему фронту третий триггер 13 будет переведен в нулевое состояние и на этом очередной цикл преобразования заканчивается (на фиг. 4 момент t₁₀). Выход третьего триггера 13 подключен ко второму выходу устройства, по которому можно судить о состоянии, в котором находится устройство.

Как следует из фиг.4, в процессе подбора кода для всех четырех информационных каналов использовались 8 кодовых комбинаций. В прототипе необходимо было проверить 16 комбинаций (2⁴). Таким образом, предложенный многоканальный АЦП позволяет уменьшить время преобразования и, следовательно, повысить быстродействие устройства.

Преимуществом устройства также является возможность реализации такой процедуры подбора кода, которая бы учитывала как статистические характеристики сигнала, так и время, необходимое для установления напряжения на выходе ЦАП (которое в значительной степени влияет на быстродействие подобных АЦП). Задача нахождения оптимальной процедуры подбора кода в данном случае соответствует известной задаче поиска неисправностей в сложном объекте с восстановлением (Пашковский Г.С. Задачи оптимального обнаружения и поиска отказов в РЭА/ Под. ред. И.А. Ушакова. - М.: Радио и связь, 1981. - С. 85-103). Выделив ПЗУ 18 в отдельную микросхему с возможностью ее замены, можно подбирать процедуру подбора кода таким образом, чтобы обеспечить максимальное быстродействие при заданных статистических характеристиках входных сигналов и временных характеристиках ЦАП 15.

Формула изобретения

Многоканальный аналого-цифровой преобразователь, содержащий n информационных каналов, каждый из которых содержит первый и второй триггеры, первый элемент И, блок сравнения, первые входы которых объединены и соединены с выходом цифроаналогового преобразователя (ЦАП), второй вход каждого блока сравнения является соответствующей входной шиной, генератор импульсов, одновибратор, со второго по седьмой элементы И, элемент НЕ, отличающийся тем, что в него введены в каждый информационный канал первый элемент ИЛИ, третий триггер, второй элемент ИЛИ, вычитающий счетчик, регистр, постоянное запоминающее устройство (ПЗУ), в каждом информационном канале выход блока сравнения соединен с первым входом первого элемента ИЛИ и первым входом первого триггера, второй вход которого соединен с первым выходом второго триггера и первым входом первого элемента И, а выход - с первым входом второго триггера, выход первого элемента И соединен со вторым входом второго триггера, второй выход которого подключен ко второму входу первого элемента ИЛИ, третьи входы первых триггеров всех информационных каналов объединены и подключены к выходу четвертого элемента И, вторые входы первых элементов И всех информационных каналов объединены и подключены к выходу пятого элемента И, третьи входы вторых триггеров всех информационных каналов объединены и подключены к выходу одновибратора, выходы первых триггеров всех информационных каналов образуют первые выходы устройства, выходы первых элементов ИЛИ всех информационных каналов подключены к соответствующим входам второго элемента И, вторые выходы вторых триггеров всех информационных каналов подключены к соответствующим входам третьего элемента И, первый вход третьего триггера является управляющим входом устройства, второй вход третьего триггера соединен с выходом второго элемента ИЛИ, третий вход - с первым входом пятого элемента И, выходом шестого элемента И, первым управляющим входом регистра и первым управляющим входом вычитающего счетчика, выход третьего триггера является вторым выходом устройства и соединен с входом одновибратора и управляющим входом генератора импульсов, первый выход которого соединен со вторым управляющим входом вычитающего счетчика и с первым входом четвертого элемента И, второй выход генератора импульсов соединен с первым входом шестого элемента И, второй вход которого соединен с выходом вычитающего счетчика и вторым входом четвертого элемента И, третий вход которого соединен с выходом элемента НЕ, вход которого подключен к выходу второго элемента И, первому адресному входу постоянного запоминающего устройства, вторые адресные входы которого соединены с входами седьмого элемента И, входами цифроаналогового преобразователя и с выходами регистра, первые выходы соединены с информационными входами регистра, вторые выходы - с информационными входами вычитающего счетчика, третьи выходы являются третьими выходами устройства, четвертый выход соединен со вторым входом пятого элемента И, выход которого является четвертым выходом устройства, выход одновибратора соединен со вторым управляющим входом регистра и третьим управляющим входом вычитающего счетчика, выход седьмого элемента И соединен с первым входом второго элемента ИЛИ, второй вход которого подключен к выходу третьего элемента И.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5