АНАЛОГО-ЦИФРОВОЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ Российский патент 2003 года по МПК H03M1/26 

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 которой 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_ЦАПmах (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. АЦП последовательного приближения также не учитывает значения кодов, полученных на предыдущих циклах преобразования.

Недостатком устройства является низкое быстродействие, поскольку не учитываются статистические характеристики сигнала, время установления напряжения на выходе цифроаналогового преобразователя и значения кодов, полученных на предыдущих циклах преобразования.

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), а также значения кодов, полученных на предыдущих циклах преобразования.

Поставленный технический результат достигается тем, что в АЦП последовательного приближения, содержащего 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, первый вход регистра является вторым входом АЦП, генератор импульсов, введены счетчик, постоянное запоминающее устройство (ПЗУ), блок предсказания, триггер, первый вход которого соединен со вторым входом устройства, выход является вторым выходом устройства и подключен к первому входу блока предсказания и входу генератора импульсов, первый выход которого соединен с первым входом счетчика, а второй выход подключен ко второму входу триггера, второй вход счетчика соединен с его выходом, третьим входом схемы сравнения и вторым входом регистра, выходы которого соединены со вторыми входами блока предсказания, выходы которого соединены с третьими входами регистра и с первыми входами ПЗУ, второй вход которого подключен к выходу схемы сравнения, третьи входы подключены к выходу регистра, первые выходы ПЗУ подключены к четвертым входам регистра, вторые выходы к третьим входам счетчика, третий выход к третьему входу триггера.

Структурная схема предлагаемого устройства отличается от известного тем, что в него введены счетчик, постоянное запоминающее устройство (ПЗУ), блок предсказания и триггер, которые являются стандартными узлами аналоговой и цифровой вычислительной техники. В качестве триггера может быть использована микросхема 155ТВ1, счетчика - 555ИЕ9, 555ИЕ10, 555ИЕ17, ПЗУ - 555РЕ4, блока предсказания - регистр 555ИР11 (Аванесян Г.Р., Левшин В.П. Интегральные микросхемы ТТЛ, ТТЛШ. Справочник. - М.: Машиностроение, 1993. - C. 160, 194, 195, 199, 207, 171). Однако несмотря на то, что введенные блоки являются стандартными узлами цифровой техники, их введение, а также появление новых функциональных связей между ними и существующими блоками дают возможность проявиться в устройстве новому свойству. А именно: АЦП позволяет уменьшить время преобразования измеряемой величины за счет применения оптимальной процедуры подбора кода, учитывающей вероятностные характеристики измеряемой величины, временные характеристики цифроаналогового преобразователя (время установления выходного напряжения), а также значения кодов на выходе АЦП на предыдущих циклах преобразования. 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, построенной с учетом предыдущих значений выходного кода, 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 - триггер; 4 - генератор импульсов; 5 - счетчик; 6 - регистр; 7 - постоянное запоминающее устройство (ПЗУ); 8 - блок предсказания. На фиг.2 приведена структура блока предсказания 8, реализующего линейный алгоритм предсказания, где 9, 10 - первый и второй регистры блока предсказания; 11 - блок вычитания.

Схема сравнения 1 предназначена для сравнения входного преобразуемого напряжения U_вх и напряжения с выхода ЦАП 2 - U_ЦАП. В случае U_вх>U_ЦАП на выходе схемы сравнения 1 появится сигнал, соответствующий логической единице, в противном случае - логическому нулю. В качестве схемы сравнения 1 используется стробируемый компаратор - при подаче нулевого уровня на его третий (стробирующий) вход напряжение на выходе схемы сравнения 1 фиксируется. Это необходимо для того, чтобы исключить изменение сигнала на выходе схемы сравнения 1 при перезаписи информации из ПЗУ 7 в счетчик 5 и регистр 6. Схема сравнения 1 может быть реализована на микросхеме стробируемого компаратора 521СА3 (Булычев А.Л. Аналоговые интегральные схемы: Справочник / А. Л. Булычев, В. И. Галкин, В.А. Прохоренко. - Минск: Беларусь, 1994. - С. 382-383). ЦАП 2 предназначен для преобразования цифрового кода, подаваемого на его вход, в соответствующий уровень выходного аналогового напряжения. Триггер 3 предназначен для фиксации начала и конца процесса преобразования. При подаче на его первый вход импульса триггер 3 переходит в единичное состояние и начинается процесс преобразования. По окончании процесса преобразования триггер 3 сбрасывается в нулевое состояние импульсом со второго выхода генератора импульсов 4 (поступающего на второй вход триггера 3) при поступлении на третий вход триггера 3 единичного сигнала с третьего выхода ПЗУ 7. Генератор импульсов 4 предназначен для синхронизации работы устройства. Он имеет два выхода, причем импульсы на втором выходе инверсны импульсам на первом выходе. Он запускается при подаче на его управляющий вход напряжения, соответствующего логической единице, с выхода триггера 3.

Счетчик 5 предназначен для формирования интервала времени, соответствующего времени установления напряжения на выходе ЦАП 2 для текущего кода. Для этого в счетчик 5 записывается некоторое число и его переводят в режим суммирования (вычитания). При подаче на первый вход счетчика импульсов содержимое его увеличивается (если используется суммирующий счетчик) или уменьшается (если используется вычитающий счетчик). По достижении содержимым счетчика максимального значения для суммирующего счетчика (нулевого для вычитающего счетчика) на его выходе устанавливается уровень логического нуля, который сигнализирует об окончании заданного интервала времени. Уровень логического нуля с выхода счетчика 5 поступает на его второй вход, и он переходит в режим записи. С приходом положительного фронта на первый вход счетчика 5 в него записывается информация, поданная на его третьи (информационные) входы. При этом на выходе счетчика 5 устанавливается уровень логической единицы, он переходит в режим суммирования (вычитания) и к формированию следующего временного отрезка.

В качестве счетчика 5 может быть использована микросхема 555ИЕ10. При этом выход переноса (Р) необходимо соединить через инвертор с входом управления режимом работы (L). В суммирующем режиме сигнал на выходе переноса (Р) появляется при достижении содержимым счетчика максимального значения. Пусть для данного кода К (поданного на вход ЦАП) время установления выходного напряжения ЦАП составляет Т_i, а период импульсов, поступающих с генератора 4, составляет Δt. Тогда в счетчик 5 необходимо записать число N_CЧi, равное N_СЧi= N_max-T_i/Δt, где N_max - максимальное значение содержимого счетчика, при котором возникает сигнал на выходе переноса (Р).

При использовании в качестве счетчика 5 микросхемы 555ИЕ17 необходимо выход переноса (Р) соединить с входом (L) (Аванесян Г.Р., Левшин В.П. Интегральные микросхемы ТТЛ, ТТЛШ. Справочник. - М.: Машиностроение, 1993. - С. 199). В вычитающем режиме для формирования временного интервала 7 в счетчик необходимо записать код, равный N_СЧi=T_i/Δt. При описании работы устройства предполагается, что используется вычитающий счетчик. Кроме того, будем считать, что величина задержки пропорциональна разнице между предыдущим кодом и следующим (задержка установления напряжения на выходе ЦАП 2) плюс один импульс на время срабатывания схемы сравнения 1. Например, если после кода 8 (1000) на вход ЦАП 2 подается код 6 (0110), то в счетчик 5 необходимо записать число 3 (3=8-6+1).

Регистр 6 предназначен для хранения текущего значения выходного кода преобразования. При подаче импульса на первый вход регистра 6 в него записывается информация, поданная на его третьи входы с выхода блока предсказания 8. По положительному фронту импульса, поданного на второй вход регистра 6, в него записывается информация, поданная на его четвертые входы с первых выходов ПЗУ 7. Регистр 6 может быть реализован на микросхеме двухканального регистра 530ИР20 (Аванесян Г. Р. , Левшин В.П. Интегральные микросхемы ТТЛ, ТТЛШ. Справочник. - М.: Машиностроение, 1993. - С.175).

ПЗУ 7 предназначено для хранения цифровых кодов, используемых в процессе выполнения процедуры подбора выходного кода, соответствующего входному аналоговому напряжению U_вх. В ПЗУ 7 также хранятся значения задержек для всех используемых кодов (соответствующих времени установления напряжения на выходе ЦАП 2).

Блок предсказания 8 предназначен для выбора процедуры поиска в зависимости от кодов, полученных на предыдущих циклах преобразования. В качестве блока предсказания 8 может быть использован обычный регистр. Он будет использоваться для запоминания кода, полученного на предыдущем цикле преобразования (алгоритм нулевого предсказания). При этом предполагается, что входная преобразуемая величина изменится незначительно за время всего цикла преобразования и соответственно значение выходного кода на следующем цикле преобразования будет близко к значению кода на предыдущем цикле.

Для реализации более точного (линейного) алгоритма предсказания структура блока предсказания (БПр) может иметь вид, показанный на фиг.2. В первом регистре 9 блока предсказания 8 хранится значение кода, полученное в конце последнего цикла преобразования К_i. Этот код будет записан в первый регистр 9 БПр с выходов регистра 6 устройства при появлении отрицательного перепада на первом входе блока предсказания (с выхода триггера 3, в конце очередного цикла преобразования). Одновременно во второй регистр 10 блока предсказания 8 будет переписан код с выхода первого регистра 9 блока предсказания 8, т.е. код предыдущего цикла преобразования К_i-1. Определим разность между текущим и предыдущим значением кода
Δ=К_i-К_i-1. (1)
В соответствии с алгоритмом линейного предсказания следующее ожидаемое значение кода определяется следующим образом:
К_i+1=К_i+Δ. (2)
Подставляя (1) в (2), получим
К_i+1=2К_i-К_i-1. (3)
Вычисление по формуле (3) производится с помощью блока вычитания 11, при этом значение K_i подается на первые входы блока вычитания 11 с выхода первого регистра БПр 9 со сдвигом на один разряд в сторону старших разрядов. Таким образом реализуется умножение K_i на два. На вторые входы блока вычитания 11 подается код с выходов второго регистра БПр 10. Блок вычитания 11 может быть реализован на микросхеме 155ИП3 (Аванесян Г.Р., Левшин В.П. Интегральные микросхемы ТТЛ, ТТЛШ. Справочник. - М.: Машиностроение, 1993. - С. 140).

Следует отметить, что на первые входы ПЗУ 7 и третьи входы регистра 6 подаются М старших разрядов результата вычисления по формуле (3) с выхода блока вычитания 11 (и соответственно с выходов блока предсказания 8, фиг.2). В общем случае 1≤М≤N, где N - разрядность АЦП. При М=N необходимо составить оптимальную процедуру поиска для всех возможных кодов N разрядного АЦП. Это потребует применения ПЗУ 7 значительного объема. Учитывая неточность алгоритма предсказания, целесообразно использовать значение М, меньшее N, т.е. одну оптимальную процедуру подбора кода использовать для группы выходных кодов, значения которых близки друг к другу. Конкретное значение М определяют исходя из точности алгоритма предсказания, эффективности процедуры подбора кода и исходя из ограничений, накладываемых на емкость ПЗУ 7. Отметим также, что при М<N, на свободные (младшие) третьи входы регистра 6 подается уровень логического нуля.

Задача построения оптимальной процедуры подбора кода в процессе аналого-цифрового преобразования соответствует известной 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. - C. 50-84). В данном случае необходимо найти единственное значение кода, наиболее соответствующее входному преобразуемому напряжению. Пусть в соответствии с используемым алгоритмом предсказания наиболее вероятным следующим значением кода является значение 8 (1000). Тогда оптимальная процедура подбора кода может иметь вид, показанный на фиг.3.

В соответствии с фиг.3 первым должен быть проверен код, равный 8 (1000). Если напряжение на выходе ЦАП 2 будет больше входного напряжения (U_вх<U_ЦАП), то следующим должен быть проверен код 6 (0110) - 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. 3 в прямоугольнике (к которому подходят стрелки). В прямоугольниках справа от вершин графа указана задержка для данного кода. Заметим, что коды, наиболее близкие к наиболее вероятному (например коды 6, 7, 9, 10), могут быть получены за меньшее число шагов, чем значения кодов, менее вероятные (например коды 0, 1, 14, 15).

Содержимое области памяти ПЗУ 7 для этой процедуры подбора кода приведено в табл.1.

Процедура подбора кода записана в ПЗУ 7 в виде последовательности слов. Адреса слов приведены во втором столбце "Адрес". Значение адреса приведено как в десятичной форме, так и в двоичной (в скобках). Адрес состоит из трех частей. В двоичном представлении адреса в табл.1 отдельные части отделены пробелами. Старшая часть адреса поступает с выхода блока предсказания 8 и для данной процедуры подбора кода она имеет одно и то же значение. Средняя часть адреса (1 бит) формируется сигналом с выхода схемы сравнения 1. Младшая часть адреса определяется кодом, поступающим с выхода регистра 6.

Каждое слово имеет три поля. Первое поле "Код" содержит текущий код, используемый на данном шаге подбора выходного кода (в табл. 1 приведено десятичное значение этого кода и в скобках - его двоичное представление). Поле "Задержка" содержит число, пропорциональное времени установления ЦАП 2 и срабатывания схемы сравнения 1 для соответствующего кода из поля "Код" (в данном случае принято, что это время равно разности между текущим кодом и предыдущим плюс единица на срабатывание схемы сравнения 1). Поле "Признак окончания" определяет момент времени окончания процедуры подбора кода. Выполнение процедуры подбора кода заканчивается, если это поле будет содержать единицу.

Оптимальная процедура подбора кода для случая, когда наиболее вероятным значением является код 4 (0100), приведена на фиг.4. Содержимое области памяти ПЗУ 7, соответствующей этой процедуре подбора кода, приведено в табл. 2.

Рассмотрим работу устройства при следующих исходных данных. 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=2,6V. В качестве блока предсказания используется обычный регистр (нулевое предсказание).

Допустим также, что с выходов блока предсказания 8 на третьи входы регистра 6 поступает код 8 (1000). Это означает, что в предыдущем цикле преобразования, при использовании нулевого алгоритма предсказания, был получен код 8 (1000). (При использовании линейного алгоритма предсказания код 8 (1000) может быть получен, например, если на двух предыдущих тактах преобразования были получены коды 6 и 7 или 4 и 6 и т.д.). Код 8 (1000) также поступит на первые (старшие) входы адреса ПЗУ 7, т.е. будет выбрана область памяти ПЗУ 7, где записана процедура подбора кода для случая, когда наиболее вероятным значением на следующем цикле аналого-цифрового преобразования шага является код 8 (1000).

В счетчик 5 в конце предыдущего цикла преобразования должны быть записаны код, в общем случае равный разности выходного кода, полученного в предыдущем цикле преобразования, и значения кода, который будет первым применяться в процедуре поиска на следующем цикле преобразования. Если для каждого предсказанного кода составляется своя программа поиска (все разряды блока предсказания 8 подключаются к первым входам ПЗУ 7, т.е. М=N) и используется нулевой алгоритм предсказания, то содержимое счетчика 5 должно быть равно единице, поскольку значение кода на входе ЦАП 2 не изменится и нет необходимости вводить для ЦАП задержку, необходимо лишь учесть задержку срабатывания схемы сравнения 1. (При включении устройства счетчик 5 должен содержать максимальное значение, а регистр 6 - произвольное - это можно обеспечить специальными схемами предварительной установки, на фиг.1 не показанными).

В исходном состоянии триггер 3 находится в нулевом состоянии. Для запуска очередного цикла аналого-цифрового преобразования на второй вход устройства "Пуск" подают кратковременный импульс, который поступает на первый вход регистра 6, благодаря чему в него будет записан код с выхода блока предсказания 8, в данном случае код 8 (1000). Код числа 8 (1000) с выхода регистра 6 поступит на вход ЦАП 2 и на его выходе установится 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= 2,6V). Поскольку U_вх<U_ЦАП, на выходе схемы сравнения появится уровень, соответствующий логическому нулю.

Импульс запуска со второго входа устройства "Пуск" также поступит на первый вход триггера 3, под воздействием которого триггер 3 перейдет в единичное состояние. На выходе триггера 3 установится уровень логической единицы, который поступит на второй выход устройства, сигнализируя о начале очередного цикла преобразования. Единичный сигнал с выхода триггера 3 поступит также на управляющий вход генератора импульсов 4, который начнет генерировать прямоугольные импульсы. Импульсы с первого выхода генератора импульсов 4 начнут поступать на первый вход счетчика 5. Поскольку содержимое счетчика 5 отлично от нуля (как было сказано ранее содержимое счетчика 5 в начале цикла преобразования равно единице), сигнал логической единицы с его выхода поступает на его второй вход, т.е. для счетчика 5 установлен режим вычитания. По положительному фронту очередного импульса с выхода генератора импульсов 4 содержимое счетчика 5 уменьшиться на единицу и станет равным нулю. В течение этого времени переходные процессы в схеме сравнения 1 закончатся. Нулевой уровень с выхода счетчика 5 поступит на третий (стробирующий) вход схемы сравнения 1, фиксируя значение сигнала на его выходе с тем, чтобы исключить его изменение при перезаписи информации из ПЗУ 7 в регистр 6 и счетчик 5.

Таким образом, на адресных входах ПЗУ 7 будет сформирован код 264 (1000 0 1000). При этом на первых выходах ПЗУ 7 появится код числа 6 (0110), на вторых выходах - код числа 3 (0011) и на третьем выходе - нулевой уровень (9-я строка в табл. 1). Поскольку при обнулении счетчика 5 он переходит в режим записи, с приходом очередного импульса с первого выхода генератора импульсов 4 на первый вход счетчика в него будет записан код числа 3 (0011) со вторых выходов ПЗУ 7. Содержимое счетчика 5 станет отличным от нуля и на его выходе сформируется положительный перепад напряжения, по которому в регистр 6 будет записан код числа 6 с первых выходов ПЗУ 7. На фиг.3 это соответствует переходу от кода 8 к коду 6 при U_вх<U_ЦАП.

На выходе ЦАП 2 появится напряжение U_ЦАП=6•0,625=3,75V и поскольку U_вх<U_ЦАП, на выходе схемы сравнения 1 установится уровень логического нуля. На адресных входах ПЗУ 7 установится код числа 262 (1000 0 0110) и на первых выходах ПЗУ 7 появится код 4 (0100), а на вторых выходах код 3 (0011) (7-я строка в табл. 1). После обнуления счетчика 5 код 4 (0100) будет записан в регистр 6, а содержимое счетчика 5 станет равным 3 (0011).

На выходе ЦАП 2 при этом появится напряжение U_ЦАП=4•0,625=2,5V. Поскольку в данном случае U_вх>U_ЦАП, на выходе схемы сравнения 1 установится уровень логической единицы. На адресных входах ПЗУ 7 установится код числа 276 (1000 1 0100) и на первых выходах ПЗУ 7 появится код 5 (0101), а на вторых выходах код 2 (0010) (21-я строка в табл. 1). После обнуления счетчика 5 код 5 (0101) будет записан в регистр 6, а содержимое счетчика 5 станет равным 1 (0001).

На выходе ЦАП 2 при этом появится напряжение U_ЦАП=5•0,625=3,125V. Поскольку в данном случае U_вх<U_ЦАП, на выходе схемы сравнения 1 установится уровень логического нуля. На адресных входах ПЗУ 7 установится код числа 261 (1000 0 0101) и на первых выходах ПЗУ 7 появится код 4 (0100), а на вторых выходах код 1 (0001) (6-я строка в табл. 1). После обнуления счетчика 5 код 4 (0100) будет записан в регистр 6, а содержимое счетчика 5 станет равным 1 (0001).

При этом на третьем выходе ПЗУ 3 установится уровень логической единицы (6-я строка в табл. 1, столбец "Признак окончания"), который поступит на третий вход регистра 3, благодаря чему с приходом импульса со второго выхода генератора импульсов 4 триггер 3 перейдет в нулевое состояние. На выходе триггера 3 установится нулевой логический уровень, который поступит на второй выход устройства, сигнализируя об окончании очередного цикла аналого-цифрового преобразования. По отрицательному перепаду на выходе триггера 3 в блок предсказания 8 будет записан результат последнего преобразования, в данном случае код 4 (0100). При использовании алгоритма нулевого предсказания код 4 (0100) с выхода блока предсказания 8 будет подан на старшие разряды ПЗУ 7, и таким образом в следующем цикле преобразования будет использоваться процедура подбора кода из другой области памяти ПЗУ 7. Содержимое области памяти ПЗУ 7 для случая, когда наиболее вероятным следующим значением является код 4 (0100), приведено в табл. 2. Процедура подбора кода для этого случая в виде графа изображена на фиг.4.

Нулевой уровень с выхода триггера 3 также приостановит работу генератора импульсов 4. При этом содержимое счетчика 5 будет равно 1 (0001), т.е. устройство будет подготовлено к следующему циклу аналого-цифрового преобразования.

Определим время преобразования для предложенного АЦП. На фиг.3 рядом с вершинами графа (справа) приведены значения задержек для каждой проверяемой комбинации (значения задержек заключены в прямоугольник). Значения задержек определены как количество импульсов, которое должно прийти с выхода генератора импульсов 4 на счетчик 5 для проверки данного кода. Оно равно значению задержек, приведенных в табл. 1 для каждого кода, плюс один импульс, необходимый для перезаписи информации из ПЗУ 7 в счетчик 5 и регистр 6. При заданных выше условиях и использовании процедуры подбора, граф которой приведен на фиг.3, наибольшая задержка будет, если следующими выходными кодами будут 0, 1, 14 или 15. Так, для кода 0 необходимо будет проверить коды 8, 6, 4, 3, 2, 1. Общая задержка составит 2+4+4+3+3+3=19 импульсов.

При использовании обычного АЦП последовательного приближения при любом выходном коде необходимо проверить четыре кода для 4-разрядного АЦП. При этом при проверке каждого кода используется интервал времени, равный максимальному времени установления напряжения на выходе ЦАП (т.е. время установления при подаче на вход ЦАП после комбинации 0 комбинации 15). При использовании генератора импульсов предлагаемого устройства интервал времени, соответствующий максимальному времени установления, будет соответствовать 15 импульсам. Т. е. время преобразования обычного АЦП последовательного приближения составит 15•4=60 импульсов.

Таким образом, предлагаемое устройство позволяет повысить скорость преобразования более чем в три раза. Для выходных кодов, близких к предсказанному, время преобразования еще меньше. Так, для кода 6 (0110) время преобразования составит 2+4+3=9 импульсов.

Следовательно, предложенный АЦП позволяет уменьшить время преобразования благодаря применению оптимальной процедуры подбора кода и учету как времени установления напряжения на выходе ЦАП, так и кодов, полученных на предыдущих циклах преобразования.

Изобретение относится к электроизмерительной и вычислительной технике и может быть использовано для преобразования аналогового напряжения в код. Техническим результатом является повышение быстродействия АЦП за счет применения оптимальной логической процедуры подбора выходного кода, учитывающей статистические характеристики сигнала, временные характеристики ЦАП, а также значения кодов, полученных на предыдущих циклах преобразования. Устройство содержит схему сравнения, ЦАП, триггер, генератор импульсов, счетчик, регистр, ПЗУ, блок предсказания. 4 ил., 2 табл.

Аналого-цифровой преобразователь, содержащий схему сравнения, на первый вход которой подается входное преобразуемое напряжение, являющийся первым входом устройства, а ко второму входу подключен выход ЦАПа, входы которого соединены с выходами регистра и являются первыми выходами устройства, первый вход регистра является вторым входом АЦП, генератор импульсов, отличающийся тем, что в него введены счетчик, постоянное запоминающее устройство (ПЗУ), блок предсказания, предназначенный для выбора процедуры поиска в зависимости от кодов, полученных на предыдущих циклах преобразования, триггер, первый вход которого соединен со вторым входом устройства, выход является вторым выходом устройства и подключен к первому входу блока предсказания и входу генератора импульсов, первый выход которого соединен с первым входом счетчика, а второй выход подключен ко второму входу триггера, второй вход счетчика соединен с его выходом, третьим входом схемы сравнения и вторым входом регистра, выходы которого соединены со вторыми входами блока предсказания, выходы которого соединены с третьими входами регистра и с первыми входами ПЗУ, второй вход которого подключен к выходу схемы сравнения, третьи входы подключены к выходу регистра, первые выходы ПЗУ подключены к четвертым входам регистра, вторые выходы к третьим входам счетчика, третий выход к третьему входу триггера.