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, что достигается применением оптимальной логической процедуры подбора кода, учитывающей статистические характеристики преобразуемого сигнала и время установления напряжения на выходе цифроаналогового преобразователя. Устройство содержит схему сравнения, цифроаналоговый преобразователь, одновибратор, регистр, счетчик триггер, генератор импульсов, постоянное запоминающее устройство. 2 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 ко второму входу схемы сравнения, второй вход регистра последовательной аппроксимации является вторым входом АЦП, третий вход которого соединен с выходом элемента И, а второй выход - со вторым входом этого элемента И, 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). АЦП последовательного приближения характеризуется следующими особенностями. В процессе подбора кода используется метод половинного деления, но принцип половинного деления не учитывает статистические характеристики входного аналогового сигнала. Процесс преобразования всегда длится N тактов, где N - разрядность АЦП, а длительность преобразования составляет Т_пр=Nt_ЦАП, где t_ЦАП - время установления напряжения на выходе ЦАП, при смене кода на его входе. В качестве t_ЦАП берется значение, равное его максимальному значению t_ЦАПmax (соответствующее подаче на вход ЦАП после нулевого максимального кода для данного ЦАП), т.е. не учитывается различное время установления выходного напряжения на выходе ЦАП для различных кодов.

Недостатком устройства является низкое быстродействие, поскольку не учитываются статистические характеристики сигнала и время установления напряжения на выходе цифроаналогового преобразователя.

Технический результат - повышение быстродействия 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 АЦП последовательного приближения, содержащий схему сравнения (СС), на первый вход которой подается входное преобразуемое напряжение и являющийся первым входом устройства, а ко второму входу подключен выход ЦАПа, входы которого соединены с выходами регистра и являются первыми выходами устройства, генератор импульсов, введены триггер, одновибратор, вычитающий счетчик и постоянное запоминающее устройство (ПЗУ), первые выходы которого подключены к первым входам регистра, первые адресные входы соединены с выходами регистра, а второй адресный вход соединен с выходом схемы сравнения, первый вход триггера является вторым входом устройства, выход триггера, являющийся вторым выходом устройства, подключен к первому входу одновибратора, второму входу регистра и управляющему входу генератора импульсов, выход которого соединен со вторым входом триггера и первым входом вычитающего счетчика, выход которого соединен со вторым входом одновибратора, выход которого соединен с третьим входом регистра и вторым входом вычитающего счетчика, третьи входы которого подключены к вторым выходам постоянного запоминающего устройства, третий выход которого соединен с третьим входом триггера.

Структурная схема предлагаемого устройства отличается от известного тем, что в него введены триггер, одновибратор, вычитающий счетчик и постоянное запоминающее устройство (ПЗУ), которые являются стандартными узлами аналоговой и цифровой вычислительной техники. В качестве триггера может быть использована микросхема 155ТВ1, вычитающего счетчика - 155ИЕ6, ПЗУ - 555РЕ4, одновибратора - 155АГ1 (Аванесян Г.Р., Левшин В.П. Интегральные микросхемы ТТЛ, ТТЛШ: Справочник. - М.: Машиностроение, 1993. - с.160, 190, 207, 212). 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 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 входному напряжению, и, следовательно, повысить быстродействие АЦП.

Структурная схема АЦП приведена на фиг.1, где 1 - схема сравнения; 2 - цифроаналоговый преобразователь (ЦАП); 3 - одновибратор; 4 - регистр; 5 - вычитающий счетчик; 6 - триггер; 7 - генератор импульсов; 8 - постоянное запоминающее устройство (ПЗУ).

Схема сравнения 1 предназначена для сравнения входного преобразуемого напряжения U_ВХ и напряжения с выхода ЦАП 2 - U_ЦАП. В том случае, когда U_ВХ>U_ЦАП, на выходе схемы сравнения 1 появится сигнал, соответствующий логической единице, в противном случае - логическому нулю. ЦАП 2 предназначен для преобразования цифрового кода, подаваемого на его вход, в соответствующий уровень выходного аналогового напряжения. Одновибратор 3 предназначен для формирования импульса при подаче на его первый или второй входы переднего фронта импульса (после очередного цикла сравнения). По заднему фронту этого импульса в регистр 4 и вычитающий счетчик 5 записываются новые значения из ПЗУ 8. Регистр 4 предназначен для хранения текущего значения выходного кода преобразования. Вычитающий счетчик 5 предназначен для формирования интервала времени, соответствующего времени установления напряжения на выходе ЦАП 2 для текущего кода. После записи в счетчик 5 некоторого числа на его первый (вычитающий) вход начинают поступать импульсы с выхода генератора импульсов 7. При обнулении счетчика 5 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) время установления выходного напряжения ЦАП составляет T_i, а период импульсов, поступающих с генератора 7, составляет Δt. Тогда в счетчик 5 необходимо записать число Т_СЧi, равное N_СЧi = T_i/Δt. Триггер 6 предназначен для фиксации начала и конца процесса преобразования. При подаче на его первый вход импульса триггер 6 переходит в единичное состояние и начинается процесс преобразования.

По окончании процесса преобразования триггер 6 сбрасывается в нулевое состояние отрицательным фронтом импульса с генератора импульсов 7 при поступлении на третий вход триггера 6 единичного сигнала с третьего выхода ПЗУ. Генератор импульсов 7 предназначен для подачи импульсов на первый (вычитающий) вход вычитающего счетчика 5. Он запускается при подаче на его управляющий вход напряжения, соответствующего логической единице, с выхода триггера 6. ПЗУ 8 предназначено для хранения цифровых кодов, используемых в процессе выполнения процедуры подбора выходного кода, соответствующего входному аналоговому напряжению U_ВХ. В ПЗУ 8 также хранятся значения задержек для всех используемых кодов (соответствующих времени установления напряжения на выходе ЦАП 2).

Рассмотрим построение оптимальной процедуры подбора кода в процессе аналого-цифрового преобразования для 4-разрядного АЦП (N = 4).

Количество возможных кодов, которые могут быть использованы в данном случае, равно 16 (от 0 до 15 или от 0000 до 1111 в двоичном коде). Пусть, исходя из анализа функции распределения входного напряжения U_ВХ, вероятность того, что данный код будет соответствовать входному напряжению, будет равна значению, приведенному в табл.1 (этим данным соответствует нормальный закон распределения).

Предположим также, что время установления напряжения на выходе ЦАП 2 пропорционально входному коду, т.е. если на вход ЦАП был подан код, равный 8 (1000), то в вычитающий счетчик 5 необходимо записать число 8 (как правило большим значениям кода соответствуют большие значения времени установления ЦАП).

Необходимо найти такую последовательность подбора кода, которая обеспечила минимум среднего времени преобразования. Эта задача соответствует задаче построения оптимальных программ диагностирования, т.е. поиску в объекте контроля единственного неисправного элемента (Пашковский Г.С. Задачи оптимального обнаружения и поиска отказов в РЭА/ Под. ред. И.А. Ушакова. - М.: Радио и связь, 1981. - с.50-84). Использовав соответствующий алгоритм построения оптимальной стратегии поиска, получим, что в данном случае целесообразно подбор кода производить в соответствии с программой, изображение которой в виде графа приведено на фиг.2. Среднее время преобразования в этом случае составит 1,76t_ЦАПmax, где t_ЦАПmax - максимальное время установления напряжения на выходе ЦАП. Учитывая, что для 4-разрядного АЦП последовательного приближения это время составляет 4t_ЦАПmax, предложенное устройство в данном случае позволяет повысить быстродействие АЦП более чем в два раза.

В соответствии с фиг.2 первым должен быть проверен код, равный 8 (1000). Если напряжение на выходе ЦАП 2 будет больше входного напряжения (U_ВХ<U), то следующим должен быть проверен код 6 (О11О) - переход производится по левой ветви графа, выходящей из первой вершины и помеченной цифрой 0. Если напряжение на выходе ЦАП 2 будет меньше входного напряжения (U_ВХ>U_ЦАП), то следующим должен быть проверен код 10 (1010) - переход производится по правой ветви графа, выходящей из первой вершины и помеченной цифрой 1. При достижении висячей вершины или вершины, у которой отсутствует левая ветвь, процесс подбора кода заканчивается. При этом в качестве результата преобразования берется код, указанный на фиг. 2 в прямоугольнике.

Содержимое ПЗУ 8 для этой процедуры подбора кода приведено в табл.2.

Программа подбора кода записана в ПЗУ 8 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 выделен, он формируется сигналом с выхода схемы сравнения 1. Каждое слово имеет три 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 2 для соответствующего кода из поля "Код" (в данном случае принято, что это время пропорционально текущему кода подбора). Поле "Признак окончания" определяет момент времени окончания программы подбора кода. Выполнение программы заканчивается, если это поле будет содержать единицу. В этом случае поле "Задержка" может содержать любые, отличные от нуля значения.

Рассмотрим работу устройства при выполнении процедуры подбора кода в соответствии с фиг.2 и данными табл.2 для следующего конкретного случая. Разрядность АЦП - 4. Диапазон входного напряжения 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 2 кода, например, равного 4, на его выходе будет напряжение U_ЦАП=4•0,625=2,5V. Предположим, что на вход АЦП подано напряжение U_ВХ=6,3V.

В исходном состоянии триггер 6 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 6 появляется уровень, соответствующий логической единице. По переднему фронту этого импульса регистр 4 обнуляется. Нулевой код с его выхода поступает на первые адресные входы ПЗУ 8. В зависимости от того, какой логический уровень будет на выходе схемы сравнения 1 (который поступает на старший адресный разряд ПЗУ 8), будет выбрано слово из ПЗУ 8 по адресу 0 (0 0000) или 16 (1 0000). Как следует из табл.2 (1-я или 17-я строка), на первых и вторых выходах ПЗУ 8 в любом случае появится код, равный 8 (1000).

Перепад напряжения с выхода триггера 6 поступит также на первый вход одновибратора 3 и на его выходе будет сформирован импульс, который поступит на первый вход вычитающего счетчика 5 и третий вход регистра 4. По заднему фронту этого импульса в счетчик 5 и в регистр 4 будет записана информация, поступающая с выходов ПЗУ 8, в данном случае в них будет записан код числа 8 (1000).

Код с выхода регистра 4 поступит на входы ЦАП 2 и на его выходе появится напряжение U_ЦАП= 8•0,625= 5V. Это напряжение поступит на второй вход схемы сравнения 1, на первый вход которого подано входное преобразуемое напряжение (для примера принято U_ВХ=6,3V). Поскольку U_ВХ > U_ЦАП, на выходе схемы сравнения появится уровень, соответствующий логической единице. Таким образом на адресных входах ПЗУ 8 будет код 24 (1 1000). При этом на первых и вторых выходах ПЗУ 8 появится код числа 10 (1010) (25-я строка в табл.2), что соответствует фиг. 2, согласно которой после кода 8 применяется код 10 при U_ВХ > U_ЦАП.

При переходе триггера 6 в единичное состояние уровень логической единицы с его выхода поступает также на управляющий вход генератора импульсов 7, благодаря чему он начинает генерировать прямоугольные импульсы, поступающие на первый (вычитающий) вход вычитающего счетчика 5. В вычитающем счетчике 5 в данном случае записано число 8, поэтому после 8 импульсов содержимое его будет равным нулю (предполагается, что в течение этого времени предыдущий этап сравнения закончен и следующее значение выходного кода определено). При обнулении вычитающего счетчика 5 на его выходе появится уровень логической единицы, который поступит на второй вход одновибратора 3. По переднему фронту этого перепада одновибратор сформирует на выходе импульс, по заднему фронту которого содержимое с выходов ПЗУ 8 будет записано в регистр 4 и в вычитающий счетчик 5. В данном случае и в регистр 4 и в вычитающий счетчик 5 будет записан код числа 10 (1010).

На выходе ЦАП 2 после этого появится напряжение U_ЦАП=10•0,625=6,25V. Поскольку предполагается что U_ВХ= 6,3V, следовательно U_ВХ>U_ЦАП, и на выходе схемы сравнения появится уровень логической единицы. На адресных входах ПЗУ 8 будет код числа 26 (1 1010) и на первых и вторых выходах ПЗУ 8 будет код числа 11 (1011) (27-я строка в табл.2).

После поступления десяти импульсов с генератора 7 на вычитающий счетчик 5 содержимое его станет равным нулю, на его выходе появится импульс, который запустит одновибратор 3. По заднему фронту этого импульса в счетчик 5 и в регистр 4 запишется код числа 11 (1011).

После этого напряжение на выходе ЦАП станет равным U_ЦАП=11•0,625=6,875V. В этом случае U_ВХ<U и на выходе схемы сравнения будет уровень логического нуля. На адресных входах ПЗУ 8 будет код числа 10 (0 1011), что соответствует 12-й строке в табл.2.

В последнем столбце этой строки в данном случае записана единица. Это означает, что на третьем выходе ПЗУ 8 появится уровень, соответствующий логической единице, который поступит на третий вход триггера 6, и по отрицательному фронту импульса с генератора 7 триггер 6 будет установлен в нулевое состояние (стробирование третьего входа триггера 6 отрицательным фронтом импульса с генератора 7 необходимо для того, чтобы исключить сброс триггера 6 в нулевое состояние из-за переходных процессов в ПЗУ 8). Процесс преобразования на этом заканчивается, при этом в регистре 4 будет записан окончательный выходной код (в данном случае число 10 (1011)), и который поступит на выходы устройства.

Таким образом, процесс преобразования закончился после трех сравнений. Оценим время преобразования в этом случае. Задержка выполнялась при анализе кодов 8 и 10. Пусть время установления выходного сигнала АЦП для максимального значения кода 15 равно t_ЦАПmax. Тогда время установления для кода 8 будет в два раза меньшим: t_ЦАП8=t_ЦАПmax•8/16=0,5t_ЦАПmax, а для кода 10-t_ЦАП10=t_ЦАПmax•l0/16=0,625t_ЦАПmax. Таким образом, общее время преобразования будет равным Т_ПР≈t_ЦАП8+t_ЦАП10= (0,5+0,625)t_ЦАПmax= 1,125t_ЦАПmax. Для АЦП последовательного приближения Т_ПР = 4t_ЦАПmax. Таким образом, время преобразования уменьшилось более чем в два раза.

Возможны случаи, когда время аналого-цифрового преобразования при использовании предложенного устройства будет большим, чем при применении АЦП последовательного приближения, например, при кодах 1 и 15. При коде 15 время преобразования Т_ПР = 4,25t_ЦАПmax, однако, как следует из табл.1, вероятность этого события достаточно мала. В среднем время преобразования составит Т_ПР = 1,76t_ЦАПmax.

Таким образом, предложенный АЦП позволяет уменьшить время преобразования благодаря применению оптимальной процедуры подбора кода и учету времени установления напряжения на выходе ЦАП.

Формула изобретения

Аналого-цифровой преобразователь, содержащий схему сравнения, на первый вход которого подается входное преобразуемое напряжение и являющийся первым входом устройства, а ко второму входу подключен выход цифроаналогового преобразователя, входы которого соединены с выходами регистра и являются выходами устройства, генератор импульсов, отличающийся тем, что в него введены триггер, одновибратор, вычитающий счетчик и постоянное запоминающее устройство, первые выходы которого подключены к первым входам регистра, первые адресные входы соединены с выходами регистра, а второй адресный вход соединен с выходом схемы сравнения, первый вход триггера является вторым входом устройства, выход триггера, являющийся вторым выходом устройства, подключен к первому входу одновибратора, второму входу регистра и управляющему входу генератора импульсов, выход которого соединен со вторым входом триггера и первым входом вычитающего счетчика, выход которого соединен со вторым входом одновибратора, выход которого соединен с третьим входом регистра и вторым входом вычитающего счетчика, третьи входы которого подключены к вторым выходам постоянного запоминающего устройства, третий выход которого соединен с третьим входом триггера.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4