Двухканальный аналого-цифровой преобразователь

 

ОПИСАНИЕ

ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

Союз Советскии

Социалистических

Республик

<и1995314 (63) Дополнительное к авт. свид-ву (22) Заявлено 12.02.81 (2()3248985/18-21 с присоединением заявки М— (23) Т)риоритет -, Опубликовано07. 02. 83 Бюллетень Йо 5

Дата опубликования описания 07.02. 83

И1) М. К.

Н 03 К 13/17

Государственный комитет

СССР ио делам изобретений и открытий

)$3) УДК 681.325 (088. 8) {72) Автор. изобретения

A Б Муралев (7() Заявитель (54) ДВУХКАНАЛЬНЫЙ АНАЛОГО-ЦИФРОВОЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ

Изобретение относится к автоматике, измерительной и вычислительной технике и может быть использовано в цифровых измерительных устройствах.

Известен аналого-цифровой преоб.разователь (АЦП) поразрядного уравновешивания, содержащий последовательно соединенные распределитель импульсов, блок вентилей, регистр, пре- 0 образователь кода в напряжение (ПКН) и устройство сравнения амплитуд CA), выход которого подключен к первым входам вентилей jl), Недостатком данного АЦП является низкое быстродействие °

Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности является двухканальный АЦП поразрядного уравновешивания с автоматическим перехо дом к следующему такту преобразования после установления переходных процессов на данном такте, состоящий из двух каналов, в каждом из которых .имеется элемент запрета, устройство сравнения, выходы которых соединены с входами элементов запрета, ПКН, входы которого соединены с ключами, триггерный регистр, выходы которого соединены с входами ключей, а нулевые входы с элементами совпадения, первые входы которых подключены к выходам элементов запрета данного канала, и, кроме того, содержащий в каждом разряде триггер управления, единичный выход которого подключен к вторым входам элементов совпадения данного разряда, разрядный элемент совпадения, выход которого соединен с нулевым -входом триггера управления смежного старшего разряда, а входы подключены к единичным выходам триггеров обоих каналов в данном разряде, элемент ИЛИ, выход которого соединен с единичными входами триггеров обоих каналов смежного младшего разряда, а входы соединены с элементами запрета данного разряда, входы которых подключены к единичному выходу триггера управления данного разряда и выходам элементов запрета обоих каналов (2).

Недостатком известного двухканального АЦП является низкое быстродействие при преобразовании напряжений, близких по амплитуде к компенсационным напряжениям в первых тактах преобразования, когда возможен колебательный характер установления сигнала на выходе устройства сравнения

995314 или значительное увеличение задержки его срабатывания.

Цель изобретения — повышение быстродействия АЦП при преобразовании им напряжений.

Поставленная цель достигается тем, что в двухканальный аналого-цифровой преобразователь, содержащий.два блока сравнения амплитуд, первые входы которых соединены с входной шиной, вто-, о рые входы соответственно — с выходами двух преобразователей кода в на пряжение, входы которых через ключи соединены соответственно с прямыми выходами триггеров первого и второго регистров, первые входы которых соедиены с первыми входами .триггеров упавленияи с шиной сигнала начальной становки, вторые входы триггеров старших разрядов первого и второго егистров соединены с шиной запуска с вторым входом триггера управленя старшего разряда, а третьи входы риггеров первого и второго регистов — с выходами элементов совпаде25 н р

У

P и н т

P ния, первые входы которых соединены соответственно с выходами триггеров управления, а вторые входы через первый и второй элементы запрета соединены соответственно с выходами первого и второго блоков сравнения, вве- Зо дены управляемый генератор импульсов, блок управления, а в каждЫЙ разряд, кроме старшего, — дополнительный триггер управления, девять элементов И, дополнительный элемент запрета, че- 35 тыре элемента ИЛИ, выходы первого и второго из которых соединены соответственно с третьими входами триггеров соответствующих разрядов первого и второго регистров, а входы с 4О выходами первого, второго, третьего, четвертого, пятого и шестого элементов И, при этом первые входы первого и четвертого элементов И соединены с первым выходом блока управления, первые выходы второго и пятого элементов И вЂ” с вторым выходом блока управления, первые входы третьего и шестого элементов И вЂ” с третьим выходом блока управления, а вторые входы первого и пятого элементов

И соединены с выходом седьмого элемента И и первым входом третьего элемента ИЛИ, вторые входы второго и четвертого элементов И вЂ” c первым входом седьмого элемента И, прямым выходом дополнительного триггера управления и первым входом дополнительного элемента запрета, вторые входы третьего и шестого элементов И вЂ” с выходом триггера управления смежного бО разряда, первым входом восьмого элемента И и первым входом дополнительного триггера управления, второй вход которого соединен с выходом управляемого генератора импульсов, ° 65 третий вход - с четвертым выходом блока управления, а инверсный выход — с первым входом девятого элемента И, первый вход которого соединен с вторым входом седьмого элемента И, а выход — с первым входом блока управления, второй вход которого соединен с шиной запуска, третий вход — с шиной сигнала начальной установки, четвертый и пятый входы— срответственно с выходами первого и второго блоков сравнения амплитуд, а пятый выход — с входом управляемого генератора импульсов, шестой выход с третьим входом триггера управления старшего разряда и вторыми входами триггеров управления остальных раз рядов, седьмой выход -c вторым входом восьмого элемента И, выход которого соединен с вторым входом третьего элемента ИЛИ, выход которого cagдинен с третьим входом триггера управления соответствующего разряда, причем второй вход элемента запрета соединен с вторыми входами элементов совпадения и первым входом четвертого элемента ИЛИ, а выход - с вторым входом четвертого элемента ИЛИ.

На фиг. 1 представлена функциональная схема предлагаемого АЦП; на фиг. 2 — 4 — диаграммы его работы при различных соотношениях измеряемого и компенсационных напряжений.

Двухканальный АЦП (фиг. 1) содержит блок 1 управления (БУ), управляемый генератор 2 импульсов (ГИ), и триггеров (Тг) 3 первого и второго, регистров, и триггеров 5 управления, ключей 6 и 7, преобразователей 8 и 9 кода в напряжение (ПКН), блоки 10 и

11 сравнения амплитуд (CA) измеряемого и компенсационного напряжений, и элементов 12 и 13 совпадения на нулевых входах триггеров соответствующих регистров, элементы 14 и 15 запрета, а также в каждом разряде АЦП, кроме старшего, и-1 допоЛнительный триггер 16 управления, и-1 дополнительный элемент 17 запрета, и„ четыре элемента ИЛИ 18-21 и п девять элементов И 22-30, входную шину 31, шину 32 запуска преобразования, шину

33 сигнала начальной установки, где и — число разрядов АЦП.

Переходный процесс установления компенсационных напряжений У„ на входак CA 10 и 11 имеет экспоненциальный характер (фиг. 2в, Зв и 4в).

Порядок работы предлагаемого АЦП зависит от соотношения амплитуд измеряемого и компенсационного напряжений, при этом все возможные варианты последовательности его действий можно свести к трем основным, которые иллюстрируются на фиг. 2-4.

АЦП при отношении измеряемого напряжения к компенсационному в первом

995314

Пх/()к - 1/2 (фиг. 2в) работаФ ет следующим образом.

В исходном состоянии, устанавливаемом импульсом (фиг. 2а), поступающим на шину 33, триггеры 3,4,5 и 16 во всех разрядах устанавливаются в нулевое состояние, компенсационное напряжение на входе Са 10 равно нулю, а на входе CA 11 — максимальному компенсационному Uz„ . Bo время преобразования компенсационные напряжения изменяются противофазно. Преобразуемое напряжение поступает на входную шину 31.

С поступлением импульса на шину

32 (фиг. 2б) запуска триггеры 3 и 4 старшего разряда первого и второго регистров устанавливаются в положение 1, при котором на выходе

ПИ4 9 образуется отрицательный, а на выходе ПКН 8 — положительный перепад напряжения, по амплитуде равный U д /2 (фиг. 2в, в); триггер 5 управления старшего раз ряда устанавливается в состояние, при котором появляются разрешающие сигналы на входах элементов 12 данного разряда, 24,27,30 смежного разряда и íà D-входе дополнительного триггера 16 управления смежного разряда (фиг. 1).

Этот же импульс запуска поступает на вход БУ 1 и через определенную задержку ь включает управляемый генератор 2 импульсов при условии,.что к этому моменту времени ни одно из устройств 10 или 11 сравнения не сработало., Если же к этому моменту времени одно из CA 10 или 11 выработало сигнал сравнения, то пуск ГИ 2 блокируется этим сигналом, поступаюищим на вход БУ 1 либо от CA 10, либо от CA 11 (фиг. 2г,д.) .

ЗадеРжка ьг включениЯ ГИ 2 выбирается равной задержке появления сигнала сравнения на выходе CA 10 или

ll при соотношении сравниваемых сигналов на их входах: tU> -0(,„ IU<„° .,(1/2..., где U„ - преобразуемое н пряжение; U „ „- компенсационное напряжение на входе CA к моменту начала 1-го такта преобразования, или . r - 1йсЖсА=- РПСн Рп42+ "СЛ Оч йпСп+""СЛ-" где tg — время нарастания компенсационíor î напряжения в i-м такте преобразования; сд — время отклика СА, т.е. время с момента, когда входной перепад напряжения пересекает уровень входного порогового напряжения, до .момента, когда выходной сигнал пе-. ресекает уровень напряжения, соответствующий логическому 0 или

f I1 I I

В первом такте уравновешивания при входном измеряемом напряжении Ух, примерно равном 1)еп/4, пуска ГИ 2.не произойдет (фиг. 2д) и после срабатывания CA 10 (фиг. 2г) на выходе элемента 14 запрета появляется сигнал, который через элемент 12 старшего разряда устанавливает Тг 3 старшего разряда первого регистра в нулевое состояние, что вызывает отключение компенсационного наПряжения на входе CA 10 ° Тг 4 при этом остается в единичном состоянии и компенсационное напряжение на входе CA 11 остается равным П„п/2. По выключении компенсационного напряжения на входе

CA 10 через. интервал времени, равный

Т,-, опять может произойти пуск ГИ 2 ! 5 сигналом из БУ 1,еслик этомумоменту времени СА10 невернулось в исходное состояние.. Фиг. 2д иллюстрирует случай, когда пуск ГИ 2 в первом такте преобразования не происходит и после выключения компенсационного напряжения на входе CA 10. Поэтому Тг 16 во всех разрядах не изменяет своего нулевого состояния и признак того„ что Tl" 16 всех разрядов находится в нулевом состоянии, поступает БУ 1 с выхода элементов И 29.

По этому признаку БУ 1 вырабатывает (фиг . 2и } после выключения Са 10 сигналы установки в единичное состо3Q яние Тг 3 и 4 первого и второго регистров разряда, смежного со старшим, по разрешающему сигналу Tr 5 старшего разряда на входах элементов

И 24 и 27. После чего сигналом из

35 Бу 1. (фиг. ?м} производится установка Тг 5 старшего разряда в нулевое состояние, а чуть раньше — установка в единичное состояние смежного разряда по разрешающим сигналам через элемент ИЛИ 20, элемент И 30 от триггера 5 старшего разряда и от соответствующего выхода БУ 1. В заключение такта БУ 1 (фиг. 2н) вырабатывает сигнал установки Тг 16 всех разрядов в нулевое состояние. Для случая, иллюстрируемогo фиг. 2, когда измеряeìîå напряжение U равно U „ /4 с точностью до значения младшего значащего разряда, следующий второй такт является последним. При включении компенсационных напряжений на входах.

CA 10 и ll, равных U „/4, их срабатывания не происходит. Поэтому через интервал времени Т БУ 1 вырабатывает сигнал включения ГИ 2 (фиг. 2д,e), после чего начинается последовательное занесение 1 в Тг 16 всех разрядов, за исключением одного †.старшего. Происходит это следующим образом. Первый импульс с выхода ГИ 2 устанавливает в единичное состояние

Тг 16 разряда, смежного.со старшим, по разрешающему сигналу Тг 5 разряда смежного со старшим, поступающе- му на вход элемента ИЛИ 21., Bo всех о5 следующих разрядах Тг 5 находится в

995314 нулевом состоянии, поэтому запрет нг, прохождение сигнала с единичного выхода Tr 16 предыдущего разряда к

D-входу последующего на входах элементов 17 запрета отсутствует, и состояние Tr 16 предыдущего. разряда заносится в следующий разряд через элемент 17 запрета и элемент ИЛИ 21 по импульсам, поступающим с выхода

ГИ 2 на синхровходы Tr 16 всех разрядов. После занесения 1 в ТГ 16 10 последнего младшего разряда преобразование заканчивается.

АЦП работает следующим образом.

Если измеряемое напряжение U> близ-,5 ко по амплитуде, но, например, несколько меньше Uz /2. Как и в предыдущем случае, исходное состояние устройства устанавливается импульсом (фиг. 3a), поступающим на шину 33 сигнала начальной установки и производящим те же операции, Компенсационные напряжения также изменяются противофазно (фиг. Зв, в ) ° Аналогично и запуск преобразования происходит при поступлении импульса на шину 32 импульса запуска (фиг. Зб).

Но, В отличие от предыдущего случая, срабатывание CA 10 в первом также происходит с задержкой, большей чем Т (фиг. Зг}, поэтому БУ 1 по импульсу 30 запуска с задержкой, равной "ri вырабатывает сигнал пуска ГИ 2 (фиг.Зд, е). Первый импульс ГИ 2 по разреша|ющему сигналу Тг 5 старшего разряда, поступающему на D-вход Тг 16 соседнего разряда, заносит в него 1, второй — устанавливает в единичное состояние Тг 16 следующего разряда, так как на его D-вход поступает разрешающий сигнал с выхода элемента, 40

ИЛИ 21 от предыдущего разряда, котоphial, в свою очередь, поступает с выхода элемента 17 запрета, на входе которого отсутствует запрет от Tr 5 соответствующего разряда и, следовательно, проходит разрешающий сигнал с выхода Tr 16 этого же разряда„ уже установленного в единичное состояние первым импульсом ГИ 2. Затем таким же образом следующий импульс ГИ 2 .Э заносит "1" в Тг 16 следующего разряда и т.д.

Работа АЦП в случае, когда измеряемое напряжение U ìíîão меньше компенсационного напряжения U« подаваемого на вход CA 10 и равного в первом такте U и /2, осуществляется следующим образом, установка в исходное состояние и запуск АЦП происхо-, дит аналогично рассмотренным выше случаям. Срабатывание CA 10 в первом такте при появлении на его входе компенсационного напряжения Uo„/2 происходит с задержкой меньшей ь„ (фиг.4в, г), поэтому пуск ГИ 2 блокируется.

Дальнейшая последовательность действий АЦП после срабатывания CA 10 casпадает с последовательностью действий, имевшей место в случае, проиллюстрированном фиг. 2, вплоть до усОстанов работы ГИ 2 происходит по срабатыванию CA 10 (фиг, Зг,д), по которому БУ 1 снимает сигнал Разрешения работы Х И 2. Обычным образом через элемент 14 запрета и элемент 12 совпадения по разрешающему сигналу

Тг 5 старшего разряда происходит установка Тг 3 старшего разряда в ну- @» левое состояние и отключение компенсационного напряжения на входе CA 10.

Поскольку возвращение CA 10 в исходное состояние после отключения компенсационного напряжения происходит 65 с задержкой, меньшей i пуск ГИ 2 в этом случае не происходит.

По возвращении СА 10 в исходное состоян "е . у 1 вырабатывает серию управляющих сигналов (фиг. Зк, м, н) в результате действия которых в тех разрядах, в которых Tr 16 были установлены в единичное состояние, проФ сходит установка в единичное состояние Тг 3 через элементы И 23 и

ИЛИ 18, а через схему выделения крайней (младшей) единицы, организованную на элементах И .28 всех разрядов,,происходит устансвка в единичное состояние Тг 4 того разряда, где находится крайний младший Tr 16, находящийся в единичном состоянии. сигнал установки (фиг. 3K.) поступает на единичный вход соответствующего раз— ряда Тг 4 через элемент И 26 и элемент ИЛИ 19. После чего сигналом чз

БУ 1 (фиг. Зм) производится устано."..— ка Тг 5 старшего разряда в нулевое состояние, а чуть раньше — установка в единичное состояние соответствующего разряда Тг 5 через ту же схему выделения крайней единицы, на элементах И 28, разрешающий сигнал с выхода которой через элемент ИЛИ 20 поступает на D-вход Тг 5 соответствующего раэряда. В следующем такте на вход СА 10 поступает компенсационное напряжение, сформированное группой разрядов Тг 3, а на вход CA 11 комбинацией старшего разряда и соответствующего младшего разряда. Таким образом происходит объединение нескольких тактов уравновешивания в один, в результате чего суммарное время преобразования сокращается.

Что касается выбора частоты, с кото рой работает генератор импульсов ГИ 2, то нетрудно показать, что оптимальным является период следования импульсов t> 0,7R„C<. При отклонении этого перйода в ту или иную сторону количество тактов преобразования мо-. жет увеличиться, т.е. режим работы

АЦП станет не оптимальным.

-995314

10 тановки Tr 3 старшего разряда в нулевое состояние и отключения компен-сационного напРяжения ()„р /2 на входе

CA 10. Однако возвращение CA 10 в исходное состояние после отключения на его входе компенсационного напряжения происходит с задержкой, превышающей Г, и, следовательно, БУ 1 вырабатывает сигнал пуска ГИ 2 (фиг. 4г, д, е). После чего дальнейшая последовательность действий совпадает с последовательностью действий, описанной в предыдущем случае (фиг. 3) от момента пуска и до момента останова

ГИ 2,при срабатывании CA 10(фиг.4д,е)

Затем Бу 1 вырабатывает серию уп- 1 равляющих сигналов (фиг. 4л, м, н), в результате действия которых в тех разрядах, где Tr 16 были установлены импульсами ГИ 2 в единичное состояние, происходит установка в,единичное состояние Тг 4 (а не Tr 3, как в предыдущем случае) через элементы И 25 и ИЛИ 19, а через схему выделения крайней (младшей) единицы, построенную на элементах И 28 всех

Разрядов, происходит установка в единичное состояние Tr 3 самого младшего разряда из тех, где Tr 16 были установлены в единичное состояние ..Сигнал установки (фиг ° 4л) поступает на единичный вход соответствующего разряда Тг 3 через элемент И 22 и элемент ИЛИ 18. После чего сигналом из Бу 1 (фиг. 4м) происходит установка в единичное состояние соответствующего разряда Тг 5, разрешающий сигнал формируется той же схемой выделения крайней единицы и поступает на D-вход Тг 5 через элемент ИЛИ 20.

Затем обычным образом прочсходит установка в нулевое состояние старшего разряда Тг 5 и (фиг. 4н) всех разрядов Тг 16 сигналом, вырабаты. ваемым БУ 1.

Ь следующем такте на вход CA 10 поступает компенсационное напряжение, сформированное соответствующим младшим разрядом Тг 3, а на вход CA ll напряжение, сформированное группой разрядов Тг 4. Следовательно, и в этом случае происходит объединение тактов преобразования и суммарное время преобразования сокращается.

Таким образом, при определенном соот ношении амплитуд преобразуемого и текущего. компенсационного напряжений на входах устройства сравнения пройсходит автоматическое объединение нескольких тактов уравновешивания в один, в ргзультатд чего суммарное время аналого-цифрового преобразования сокращается.

Формула изобретения

Двухканальный аналого-цифровой преобразователь, содержащий два блока сравнения амплитуд, первые входы которых соединены с входной шиной, вторые входы — соотвеТственно с выходами двух преобразователей кода в напряжение, входы .которых через клю5 чи соединены соответственно с выходами триггеров первого и второго регистров, первые входы которых соединены с шиной сигнала начальной установки и с первыми входами триггеров

0 управления, вторые входы триггеров старших разрядов первого и второго регистров соединены с шиной запуска и с вторым входом триггера управления старшего разряда,.а третьи входы триггеров первого и второго регистров — с выходами элементов совпадения, первые входы которых соединены соответственно с выходами триггеров управления, а вторые входы через первый и второй элементы запрета соединены соответственно с выходами первого и второго блоков сравнения, отличающийся тем, что, с целью повышения быстродействия, в него введены управляемый генератор импульсов, блок управления, а в каждый разряд, кроме старшего, — дополнительный триггер управления, девять элементов И, дополнительный элемент прета, eTblPR BJIBMBHTR HJIH> выходы первого и второго из которых соединены соответственно с третьими входами триггеров соответствующИх разрядов первого и второго регистров, а входы — с выходами первого, второго, третьего, четвертого, пятого и шестого элементов И, при этом первые входы первого и четвертого элементов И соединены с первым выходом блока управления, первые вхо40 ды второго и пятого элементов И - с. вторым входом блока управления, первые входы третьего и шестого элеменhoa И вЂ” с третьим выходом блока управления, а вторые входы первого и

45 пятого элементов И соединены с выходом седьмого элемента И и первым входом третьего элемента ИЛИ, втоРые входы второго и четвертого элементов И вЂ” с первым входом седьмого

50 элемента И, прямым выходом дополнительного триггера управления и,первым входом дополнительного элемента запрета, вторые входы третьего и щесто- го элементов И вЂ” с выходом .триггера

55 управления смежного разряда, первым входом восьмого элемента И и первым входом дополнительного триггера уп-равления, второй вход которого соединен с выходом управляемого генератора импульсов, третий вход - с четвертым выходом блока управления, а инверсный выход — с первым входом девятого элемента И, второй вход которого соединен с вторым входом седьмого элемента И, а выход — с пер65 вым входом блока управления, второй

995314

12 вход которого соединен с шиной запуска, третий вход - с шиной сигнала начальной установки, четвертый и пятый входы — соответственно с выходами первого и второго блоков сравнения амплитуд, пятый выход — с входом управляемого генератора импульсов, шестой выход — с третьим входом триггера управления старшего разряда> и вторыми входами триггеров управления остальных разрядов, седьмой выход — с вторым входом восьмого элемента И, выход которого соединен с вторым входом третьего элемента ИЛИ, выход которого соединен с третьим входом триггера управления соответствующего разряда, причем второй вход элемента запрета соединен с вторыми входами элементов совпадения и первым входом четвертого элемента ИЛИ, а выход — c вторым входом четвертого элемента ИЛИь

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1. Гитис Э.И. Преобразователи инормации для электронных цифровых вычислительных устройств . И., Энер1О гия, 1975, с. 299-302, рис. 7. 7;

Шляндин В.N. Цифровые измерительные преобразователи и приборы, N, . Высшая школа, 1973, с. 216, рис. 4.8.

2. Авторское свидетельство СССР

Р 517997, кл. Н 03 К 13/17, 1973 (п рот отип ) .

995.31-4

Составитель A. Кузнецов

Редактор В. Петраш ТехредМ.Надь .КорректорА. Йзятко

Заказ 670/45

Филиал ППП Патент, r. Ужгород, ул. Проектная, 4 и. г

Тираж 934 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

1l3035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5