Устройство аналого-цифровогопреобразования

 

Союз Советских

Социалистических

Республик

ОПИСАНИЕ

ИЗОБРЕТЕНИЯ

<»839044

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (61) Дополнительное к авт. свид-ву (22) Заявлено 06 09 79 (21) 28204 2 3/18 21 с присоединением заявки ¹â€” (23) Приоритет—

Опубликовано 150681 Бюллетень № 22

Дата опубликования описания 150681 (Я)М. Кл.з

Н 03 К 13/02

Государствеииый комитет

СССР ио делам изобретеиий и открытий (53) >Al< 681. 325 (088.8) (72) Автор изобретения

В.Я. Загурский

Институт электроники и вычислительной техники

AH Латвийской CCP (71) Заявитель (54) УСТРОНСТВО АНАЛОГО-ЦИФРОВОГО ПРЕОБРАЗОВАНИЯ

Изобретение относится к импульсной технике, в частности к устройствам преобразования формы информации, и может быть использовано в вычислительной технике и скоростных системах обработки информации.

Известен аналого-цифровой преобразователь, содержащий в каждом из трех каналов параллельный аналогоцифровой преобразователь (АЦП), регистр и счетчик j1).

Недостатками этого АЦП являются сложность, поскольку требуется утроенное количество оборудования, низкая точность и быстродействие. 15

Известен также аналого-цифровой преобразователь, содержащий параллельный АЦП, регистр, счетчик, управляеьый по частоте генератор сигнала развертки, формирователь строб-им- 20 пульсов, а кроме того, блок компараторов и импульсно-фазовый детектор (2) ..

Однако данное устройство характе- ризуется сло>хностью и невысоким быстродействием. Частотная стабили- 25 эация параметров сигнала генератора развертки осуществляется при помощи дополнительных аналоговых блоков. Процесс стабилизации устраняет лишь долговременную нестабиль- 30 ность параметров сигнала развертки по частоте и имеет медленное установление, что требует непрерывной работы преобразователя либо его предварительной наработки после включения без использования отсчетов, иначе нельзя гарантировать точность преобразования. Это, также как и неравномерность отсчетов, в ряде случаев усло>хняет синхронизацию преобразователя и снижает его быстродействие. Кроме того, быстродействие преобразователя ограничивается предельной частотой работы счетчика, разрядность которого определяет время генерации сигнала развертки и цикл преобразования. Длительность цикла преобразования пропорциональна 2"/Го, где 1/F-T, - длительность кванта времени, равного периоду частоты счета F .

Цель изобретения — повышение быстр одей ст вия.

Эта цель достигается тем, что в устройство, содер>хащее параллельный аналого-цифровой преобразователь, а также счетчик и формирователь стробимпульсов, выходы которых соединены с соответствующими входами регистра, введены многофазный генератор

839044 частоты, дешифратор, управляемый по амплитуде генератор раэ вертки, первый вход которого соединен с шиной входного сигнала, второй вход подключен к шине запуска, третий вход - к.выхо-.. ду формирователя строб-импульсов, при этом первый выход соединен со входом параллельного аналого-цифрового ,преобразователя, второй выход — с управлякщим входом многофазного генератора частоты и входом установки счетчика, причем первый и второй входы формирователя строб-импульсов подключены .соответственно к выходу младшего разряда параллельного аналогоцифрового преобразователя и второму выходу управляемого генератора раз- 15 вертки, выход многофазного генератора подключен к входу счетчика, а выходы счетчика и многофаэного генератора через регистр и дешифратор подключены к выходным шинам. 20

При этом управляемый по амплитуде генератор сигнала развертки содержит усилитель, источник тока, управляющий

RS-триггер, переключатель и интегратор, причем выходы усилителя и источника тока подключены к соответствующим входам переключателя, к управляющему входу которого подключен выход

RS-триггера, а к выходу подключен интегратор, причем выходы интегратора и триггера являются первым и вторым выходами управляемого по амплитуде генератора сигнала развертки, а вход усилителя, R u S входы триггера являются соответственно первым, вторым и третьим его входами, а управляемый многофазный генератор содержит цепочку последовательно соединенных логических элементов, причем выход последнего элемента соединен со входом первого, другие входы эле- 40 ментов объединены и являются входом управления, а выходы элементов являются выходами многофаэного генератора.

На фиг. 1 представлена блок-схема 45 к-разрядного (к=n+m, где n=1,2,3, ...,n, à m=1,2,3,...,m) аналогоцифрового преобразователя; на фиг. 2 - временные диаграммы работы преобразователя; на фиг. 3 - блоксхема управляемого .по амплитуде генератора сигнала развертки, на фиг.4 принципиальная схема управляемого .многофаэного генератора частоты.

Шина 1 входного сигнала и шина 2 запуска (фиг. 1) являются первым и вторым входами управляемого по амплитуде генератора 3 развертки, третий вход 4 которого подключен к выходу формирователя 5 строб-импульсов. Первый выход генератора 3 под- 60 ключен к входу параллельного (n -разрядного, где и =1,2, 3,... n) аналого-цифрового преобразователя 6, выход младшего разряда которого подключен ко входу 7 Формирователя 5

Второй выход генератора 3 подключен к входу 8 формирователя 5, к входу установки счетчика 9 и управлякщему входу многофазного генератора 10 частоты. Выход генератора 10 подключен к счетному входу счетчика 9. Выход формирователя 5 строб-импульсов подключен к вхоцу стробирования регистра 11, к управлякщим входам которого подключены выходы параллельного аналого-цифрового преобразователя 6, счетчика 9, многофаэного генератора 10. Выходы регистра 11, соответствующие входам регистра, подключенным к выходам преобразователя 6, подключены -к выходным шинам, а выходы регистра 11, соответствукщие входам, подключенным к выходам счетчика 9 и генератора 10, подключены к дешифратору 12, выходы которого соединены

=" соответсвукщими выходными шинами, Временные диаграммы (Фиг. 2) получены при условии, что< =3, à m=4 причем m/2=2 разрядов образованы на выходах счетчика 9, а а/2=2 разрядов - на выходах многофаз ного генератора 10, преобразователь 6 работает в двоичном коде, счетчик 9 работает в коде Грея, число выходов генератора 10 равно четырем, причем на каждом из выходов генератора 10 формируется последовательность прямоугольных сигналов с периодом Tä, сдвинутая по фазе относительно последовательности таких сигналов на предшествующем выходе на дискретность д Т.

Дискрет ност ь Ь Т выбирается из соотношения Т, =e, где Е =2, а р— число двоичных разрядов, образуемых на выходах многофазного генератора 10.

На фиг. 2 представлены входной преобразуемый сигнал 13, квантующая характеристика 14 преобразователя (6 заштрихованы состояния логической

"1"), сигнал 15 развертки на первом выходе генератора 3, подключенном к преобразователю 6 (ТР1 — полное время развертки, соответствующее одному кванту характеристики 14, TP2 — полное время развертки, соответствующее установлению амплитуды, равной входному сигналу 13, на выходе генератора 3), сигналы 16 запуска преобразователя, действующие по входу 2. (Т1 и Т2 — моменты действия сигналов 16), сигналы 17 на выходе формирователя 5 (T3 и Т4 — моменты действия сигнала 17), сигналы 18 на втором выходе генератора 3, подключенном ко входу 8 формирователя 5; сигналы 19 на выходах многофаэного генератора 10; сигналы 20 и 21, которые соответствуют сигналам на выходах счетчика 9 цифровые значения сигналов 22 с выходов счетчика 9 и генератора 10, запомненные в регистре 11 и продешифрированные дешифратором

12.

839044

Основными элементами параллельного аналого-цифрового преобразователя 6 являются (2"-1) компараторов, образующих квантукщую характеристику 14 (фиг. 2). Диапазон его преобразования равен диапазону преобразования всего.к-разрядного преобразова5 теля (фи г. 1).

Управляемый по амплитуде генератор 3 сигнала развертки обеспечивает получение на первом выходе аналоговый сигнал 15 развертки, время развертки которого пропорционально амплитуде входного сигнала 13, в моменты действия сигнала запуска 16 (моменты Т1 и Т2).

Устройство работает следукщим образом.

Преобразуемый сигнал 13 с.входа 1 поступает на генератор 3. Поскольку до момента Т1 на входе 2 генератора 3 отсутствовал сигнал 16 запус- 30 ка, то сигнал 13 проходит на вход преобразователя 6 и преобразуется им в соответствии с характеристикой 14. На втором выходе генератора 3 отсутствует сигнал 18, поэтому формирователь 5 заблокирован по входу 8, счетчик 9 обнулен, генератор 10 также заблокирован, а на входе стробирования регистра 11 сигналы отсутствуют. На выходах регистра 11 и дешифратора 12 нулевые коды.

В момент Т1 сигнал 16 включает генератор 3 развертки, на первом выходе его генерируется сигнал 15 развертки, а на втором — формируется сигнал 18. Сигнал 15 развертки в начальный момент Т1 (фиг.2) имеет амплитуду, равную мгновенному значению преобразуемого сигнала 13 в момент Т1. Генерация сигнала развертки продолжается до момента пере- 40 сечения им ближайшего уровня квантования характеристики 14. Сигнал 18 в момент Т1(фиг.2) разблокирует формирователь 5, счетчик 9 и запускает генератор 10, .на выходах которого 45 формируются сигналы 19 и подсчитываются счетчиком 9. На выходах счетчика 9 формируются сигналы 20 и

21 (фиг. 2).

Максимальному времени развертки

ТР1 соответствует максимальное цифровое значение кода 22-1111 (начиная с младших разрядов). Всем

-меньшим промежуточным значениям сигнала 13, которые могут существовать между двумя любыми уровнями квантования характеристики 14, соответствуют меньшие коды 22. В случае совпадения значения сигнала 13 с одним из уровней квантования харак- ЬО теристики 14 в момент запуска устройства сигналом 16 время развертки сигнала 15 равно нулю.

В момент пересечения сигналом

15 развертки ближайшего уровня кванто-65 вания характеристики 14 преобразователяя 6 на выходе младшего разряда преобразователя происходит изменение логических уровней сигнала. в момент

ТЗ вЂ” 0 1, в момент Т4 1 0 (фиг. 2).

В результате действия этого сигнала по входу 7 формирователя 5 на его выходе формируется сигнал 17, который стробирует регистр 11 и переключает генератор 3 развертки в режим управления входным сигналом 13.

Таким образом, сигналом 17 в регистре 11 записывается код с выходов многофазного генератора 10 и счетчика 9. Запомненные в регистре сигналы 19 -21 дешифрируются дешифратором 12. На выходах устройства появляется цифровой код 0111100 для значения преобразуемого сигнала 13 в момент Т1 и 0110010 — в момент Т2 (коды даны начиная с младших разрядов) . Коды состоят из двух частей: код и-разрядов преобразователя 6 (100 для Т1 и 010 для Т2) код в-разрядов счетчика 9 и генератора 10 (0111 для Т1 и 0110 для Т2). Код преобразователя 6 отражает целое число дискретностей квантования, изменяющих преобразуемый сигнал 13 в соответствии с характеристикой 14, а код 22 счетчика 9 и генератора 10 отражает целое число квантов Л Т, которое соответствует оставшейся части значения сигнала 13. Таким образом, сигнал 13 оказывается преобразованным в цифровой к=п+а-разрядный код.

В моменты ТЗ и Т4 сигналом 13 производится блокировка формирователя 5, -генератора 10, регистра 11, обнуление счетчика 9. Управляемый генератор развертки 3 переключается в режим управления входным сигналом 13, в результате чего на его выходе устанавливается э начение сигнала развертки, равное з начению входного сигнала 13. Максимальное время установления ТР2 определяется параметрами генератора 3 раз вертки и выбирается равным 0,1-0,3 ТР1.

Суммарное .время ТР1 и ТР2 составляет общее время преобразования, причем оно определяется в основном временем

ТР1.

Фиксация кодов старших и младших разрядов происходит одновременно по сигналу 17 формирователя 5. Это означает, что динамические погрешности устройства зависят лишь от апертурной погрешности при считывании в регистр 11 кодов 22 и кодов преобразователя 6.

Выбирая число выходов генератора

10, можно уменьшать дискретность ЬТ без уменьшения периода Т частоты генератора, т. е. Увеличивать точность преобразования беэ повышения требований к быстродействию счетчика 9 и не увеличивая максимальное время генерации ТР1. сигнала 15 развертки. Это

839044

45 позволяет сократить также число разрядов счетчика эа счет увеличения числа разрядов, образуемых при кодировании сигналов на выходах генератора 10.

Уменьшая hT можно повышать быстродействие устройства при сохранении его разрядности. По сравнению с известным устройством, счетчик которого также оперирует с периодом Тдчастоты счетных импульсов, в предлагаемом устройстве быстродействие может быть увеличено в 0 = 2Р раэ, где число выходов генератора 10, а р— число двоичных разрядов, образуемых на выходах генератора 10.

Погрешности линейности преобра- 15 зователя определяются лишь кратковременной нестабильностью частоты генератора 10 и сигнала генератора 3 развертки. Учитывая, что максимальное время генерации сигнала разверт- gg ки ТР1 может быть уменьшено в 1 = 2 раэ, во столько же раз уменьшается влияние кратковременных нестабильностей, что позволяет отказаться от частотной стабилизации сигнала 15 развертки, резко упростить структуру устройства блоков генератора 3 развертки и многофаэного генератора 10.

Блок-схема управляемого по амплитуде генератора сигнала развертки (Фиг. 3) содержит усилитель 23, источник стабильного тока 24, RS-триггер 25, переключатель 26, интегратор 27. Вход 1 усилителя 23 является входом устройства, входы 2 и 4 являются S u R входами RS-триггера 25, выходы усилителя 23 и источника стабильного тока 24 подклю, чены к соответствующим входам переключателя 26, управлякший. вход кото- 40 рого соединен с выходом RS-триггера 25 и подключен к входу 8 формирователя 5. Выход переключателя 26 через интегратор 27 подключен ко входу преобразователя 6.

Управляемый по амплитуде генератор 3 сигнала развертки либо пропускает входной сигнал 13, либо вырабатывает сигнал 15 (фиг. 2) раз вертамплитуэжое 3 HaweHHe которого определяется входным сигналом 13.

Генератор 3 работает следующим образом.

При отсутствии воздействия сигнала 16 (фиг. 2) по входу 2 на выходе триггера 25 отсутствует сигнал 18 ° Преобразуемый сигнал со входа 1 через усилитель 23, переключатель 26 поступает на интегратор 27, постоянная времени которого определяет время ТР2. Уста- 60 новившийся сигнал, равный входному сигналу 13, поступает далее на преобразователь 6. В момент Т1, сигнал 16 (фиг. 2) действуя по входу 2 переключает его в состояние логической "1" и на его выходе появляется сигнал 18. В результате действия того сигнала переключатель 26 (фиг. 3) отключает усилитель 23 от интегратора 27 и подключает к нему источник стабилизированного тока 24. На выходе интегратора 27 формируется сигнал 15 развертки (фиг.2), амплитуда которого определяется мгновенным значением сигнала 13 в момент Т1.

В момент Т2 под действием сигнала 17 ко входу 4 триггер 25 переключается в состояние логического "0", сигнал

18 на выходе 8 отсутствует. Переключатель 26 отключает источник 24 стабилизированного тока от интегратора 27 и пропускает на интегратор, усиленный усилителем 23, входной преобразуемый сигнал 13.

Выбирая коэффициент усиления усилителя 23, величину тока источника 24, постоянную интегратора 27, можно в широких пределах варьировать времена ТР1 и ТР2. В качестве интегратор а 2 7 может быт ь и с пол ьэ свана проствйшая RC-цепочка. электрическая схема управляемого многофазного генератора 10 частоты (фиг.4) содержит цепочку последовательно включенных логических элементов 28, причем выход последнего подключен ко входу первого, другие входы элементов объединены и-являются управляющим входом генератора, который подключается к входу 8 формирователя 5, а выходы являются выходами генератора и подключаются ко; входам регистра 11. Кратковременная относительная нестабильность частоты такого генератора определяется флуктуациями задержки элементов 23 и лежит в пределах 10 — 5i10, что поэ воля ет испольэ овать его в 12-14-ти разрядных преобразователях по предлагаемой схеме (фиг, 1) . Работа генератора 10 полностью определяется временными диаграммами (фиг. 2, сигналы 18 и 19), причем в качестве логических элементов могут быть использованы любые элементы (И, ИЛИ, ИЛИ-Нф с учетом необходимых для их работы логических уровней сигналов.

При реализации основных узлов предлагаемого устройства в виде микросхем возможно построение 12-14-ти разрядных преобразователей с частотой преобразования до 50 МГц.

Формула из обрет е ния

1. Устройство аналого-цифрового преобразования, содержащее параллельный аналого-цифровои преобразователь, счетчик и формирователь строб-импульсов, выходы которых соединены с соответствунщими входами регистра, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что, с

839044

10 целью повышения быстродействия, в него введены управляеьый по амплитуде генератор развертки, многофазный генератор частоты и дешифратор, причем первый вход управляемого по амплитуде генератора развертки соединен с шиной входного сигнала, второй вход подключен к шине запуска, третий вход подключен к выходу формирователя строб-импульсов, при этом первый мюход соединен со входом параллельного аналого- цифрового преобразователя, второй выход соединен с управлякщим входом многофазного генератора частоты и входом установки счетчика, причем первый и второй входы Формирователя стробимпульсов подключены соответственно к выходу младшего разряда параллель-. ного аналого-цифрового преобразователя и второму выходу управляемого генератора развертки, выход многофаэного генератора подключен к входу счетчика, а выходы счетчика и многофазного генератора через регистр и дешифратор подключены к выходным шинам.

2, Устройство по п.1, о т л и ч аю щ е е с я тем,что управляемый по амплитуде генератор сигнала развертки содержит усилитель, источник тока, управляющий RS-триггер,-переключатель и интегратор, причем выходы усилителя и источника тока подклю,чены к соответствующим входам переключателя, к управлякщему входу которого подключен выход RS-триггера, а к выходу подключен интегратор, при5 чем выходы интегратора и триггера являются первым и вторым выходами управляемого по амплитуде генератора сигнала развертки, а вход усилителя, R и 5 входы триггера явля о ются соответственно первым, Вторым и третьим его входами.

3. Устройство по и;1, о т л и ч аю щ е е с я .тем, что управляемый многофазный генератор содержит

15 цепочку последовательно соединенных логических элементов, причем выход последнего элемента соецинен со входом первого, другие входы элементов объединены и являются входом

;ф управления, а выходы элементов являются выходами многофаэного генератора °

Источники информации при нятые во в нима ни е при э к сперт из е

1. Патент США Р 3697978, кл. 340-347, 1970.

2. Авт.орское свидетельство СССР по заявке Р 2671963/21, кл. Н 03 К 13/02, 1979 (прототип) .

839044 фиа.q

Составитель Л. Беляева

Техред Н. Келушак Корректор Н Стец

Редактор М.Петрова

Филиал ППП "Патент", г. Уагород, ул. Проектная, 4

Заказ 4180/3 Тираи 988 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва; 3t-35, Раушская наб., д. 4/5